Diodelaser
Een diodelaser, ook wel laserdiode genoemd, is een laser waarbij het actieve medium een halfgeleider is. De werking lijkt op die van een led (lichtgevende diode), maar een diodelaser produceert coherent licht: alle lichtgolven hebben dezelfde fase en golflengte.
Het meest voorkomende type is de geïnjecteerde diodelaser. Deze is opgebouwd uit een halfgeleider met een zogenaamde p-n-overgang: een grensvlak tussen een zone met een overschot aan elektronen (de n-laag) en een zone met een tekort aan elektronen (de p-laag). Wanneer een elektrische stroom door deze overgang wordt gestuurd, komen elektronen en "gaten" samen op het grensvlak en geven daarbij energie af in de vorm van licht. Dit principe heet elektroluminescentie.
Diodelasers worden onderscheiden van andere halfgeleiderlasers, zoals de optisch gepompte halfgeleiderlaser, waarbij de halfgeleider niet door elektrische stroom maar door licht van een externe laser wordt aangestuurd.
Diodelasers kennen een breed scala aan toepassingen, waaronder optische datacommunicatie, laserprinters, barcodescanners, medische apparatuur en consumentenelektronica zoals optische opslagmedia.
Laserdiode en telecommunicatie
[bewerken | brontekst bewerken]Telecommunicatiesystemen moeten een lange levensduur hebben, aangezien defecten grote gevolgen hebben voor gebruikers en reparaties doorgaans zeer kostbaar zijn. Aanvankelijk kenden diodelasers problemen op dit vlak: de laserwerking vereiste hoge drempelstromen en het rendement van de omzetting van stroom naar licht was beperkt.
In principe bestaan de lasers uit drie halfgeleiderlagen, met in het midden de zogenaamde actieve laag. Deze laag heeft een hogere brekingsindex dan de omringende lagen, waardoor lichtgeleiding ontstaat. Door een injectiestroom dwars door de lagen te sturen wordt licht in de actieve laag gegenereerd. Een belangrijke verbetering werd bereikt door de introductie van de dubbele heterostructuur (double heterostructure, DH) door Zhores Alferov en Herbert Kroemer.[1] De actieve laag van de DH-laser wordt ingesloten tussen twee lagen met een grotere bandkloof (bandgap).[2] Hierdoor worden de elektronen die door de injectiestroom worden geleverd, beter benut voor de omzetting naar licht. Voor deze uitvinding ontvingen Alferov en Kroemer in 2000 de Nobelprijs voor Natuurkunde.[3]
De drempelstromen daalden verder door de afmetingen van de actieve laag te verkleinen. Eerst werd de laag in twee dimensies verkleind, waardoor een zogenaamde kwantumput ontstaat (quantum well laser). Daarna werd een verkleining in drie dimensies geïntroduceerd, waardoor een zogenaamde kwantumdot ontstaat (quantum dot laser).[4] Dankzij deze verbeteringen hebben lasers voor telecommunicatie momenteel een levensduur van tientallen jaren.
Door de toename van het aantal bits per seconde moeten de lichtpulsen in het tijddomein steeds korter worden. Onder invloed van dispersie in glasvezel worden de pulsen echter breder, omdat licht met verschillende golflengtes met verschillende snelheden door de vezel wordt getransporteerd. Hierdoor overlappen de pulsen elkaar en kan de ontvanger ze niet meer afzonderlijk detecteren. Om dispersie tegen te gaan moet het golflengtespectrum van de laser worden versmald.
Het licht in de actieve laag wordt deels opgesloten tussen twee spiegels, waardoor coherent laserlicht ontstaat. De spiegels worden gevormd door de reflecterende eindvlakken van de laserchip. Binnen deze zogenaamde Fabry-Perot-resonator passen echter meerdere golflengtepieken, met ongewenste pulsverbreding in de vezel tot gevolg.[5]. Een constructie met een ingebouwde traliestructuur, de distributed feedback laser diode (DFB), werd geïntroduceerd door Yasuharu Suematsu van het Tokyo Institute of Technology.[6] Hierdoor wordt slechts één golflengtepiek doorgelaten, waardoor de dispersie drastisch verminderde. Voor deze uitvinding ontving Suematsu diverse prestigieuze prijzen.[7]. Door de introductie van de kwantumput en de kwantumdot werd die ene golflengtepiek nog smaller..
Diodelaser als optische versterker
[bewerken | brontekst bewerken]Als de resonantiewerking in een diodelaser wordt uitgeschakeld, kan de structuur worden gebruikt als optische versterker: de Semiconductor Optical Amplifier of SOA . De injectiestroom wekt nog steeds licht op, maar er is geen sprake meer van laserwerking. Dit komt doordat de Fabry-Perot configuratie — de twee reflecterende eindvlakken — is verwijderd. De eindvlakken van de diodechip worden in plaats daarvan voorzien van een antireflectiecoating, zodat ze het licht niet meer terugkaatsen. Wanneer de SOA licht ontvangt van een externe laserbron, koppelt de versterker zijn fase aan die van het inkomende licht: een foton dat langs een aangeslagen elektron passeert, stimuleert dat elektron om naar zijn grondtoestand terug te vallen. Daarbij wordt een tweede foton uitgestraald met exact dezelfde golflengte, fase en richting als het passerende foton.
Een SOA kan een versterking leveren van meer dan 20 dB.[8] Dit is nuttig in glasvezelnetwerken: een glasvezel heeft een demping van 0,2 dB per kilometer. Met een versterking van 20 dB kan het signaal dus over 100 kilometer extra worden doorgegeven voordat het te zwak wordt.
VCSEL
[bewerken | brontekst bewerken]Binnen een datacenter bevinden zich enorm veel verbindingen, zowel elektrische als optische (optical interconnect).[9] Printplaten met daarop elektronische en optische componenten moeten met elkaar worden verbonden, net als de verschillende modules waarin deze printplaten zijn ondergebracht, en de apparatuurrekken waaraan de modules zijn bevestigd.
Kenichi Iga van het Tokyo Institute of Technology bedacht dat de bekabeling met glasvezel vervangen kan worden door ongebonden lichtstralen. Hij introduceerde daartoe de verticaal stralende diodelasers (vertical cavity surface emitting laser, VCSEL).[10]. Het licht van de VCSEL kan zonder tussenkomst van een vezel worden gedetecteerd door een fotodiode op een ander printplaat. De vrije ruimtes tussen printplaten, modules en rekken kunnen derhalve worden benut voor dergelijke verbindingen. Tegenwoordig kunnen VCSELS datasnelheden van ruim 200 Gbit/s bereiken.[11] Omdat het licht uit de VCSEL loodrecht op de chip staat kunnen deze lasers worden gerangschikt in dichte rijen en kolommen (array VCSELS)[12]
De VCSEL heeft zich inmiddels een breed scala aan toepassingen verworven, waaronder automotive, smartphones en medische diagnostiek.[13][14][15] Iga ontving voor zijn uitvinding de Frederic Ives-medaille/Jarus W. Quinn-prijs (2024).[16]
Entertainment
[bewerken | brontekst bewerken]Diodelasers hebben hun weg gevonden naar diverse toepassingen op het gebied van entertainment. Voor mediadragers zoals de cd en dvd werd aanvankelijk een diodelaser toegepast met een golflengte van 780 nm. Om de capaciteit op de plaat te kunnen verhogen, werd later een laser ingezet met een kortere golflengte van 405 nm. In laserpointers worden diodelasers met licht van verschillende kleuren gebruikt.[17] Diodelasers met een groter vermogen worden toegepast in apparatuur voor lasershows.
- ↑ Alferov, Zh. I. (2001) The Double Heterostructure: The Concept and its Applications in Physics, Electronics, and Technology (Nobel Lecture), ChemPhysChem, 2(8/9), pp. 471-557
- ↑ Wafer World (2025) Band Gap in Semiconductors: All You Need to Know. Geraadpleegd op 6 maart 2026
- ↑ Nobel Prize Outreach (2000) The Nobel Prize in Physics 2000, NobelPrize.org. Geraadpleegd op 6 maart 2026
- ↑ Bhattacharya, P. (2000) Quantum well and quantum dot lasers: From strained-layer and self-organized epitaxy to high-performance devices, Optical and Quantum Electronics, 32, pp. 211–225
- ↑ R. Paschotta, Fabry–Pérot Laser Diodes in the RP Photonics Encyclopedia, geraadpleegd op 6 maart 2026,
- ↑ Ladany, I., Andrews, J. T. and Evans, G. A. (1988) Distributed Feedback Lasers. NASA Contractor Report CR-4154. Hampton, VA: NASA Langley Research Center
- ↑ The Japan Prize Foundation (2014) Dr. Yasuharu Suematsu – Laureate of the Japan Prize 2014, The Japan Prize Foundation. Geraadpleegd op 6 maart 2026
- ↑ Hui Tang e.a. A Review of High-Power Semiconductor Optical Amplifiers in the 1550 nm Band in Sensors 2023, 23, 7326
- ↑ Cheng, Q. e.a. (2018) Recent advances in optical technologies for data centers: a review, Optica, 5(11), pp. 1354–1370. Geraadpleegd op 6 maart 2026
- ↑ Gu, M., Dong, Y., Yu, H., Luan, H. and Zhang, Q. (2023) Perspective on 3D vertically-integrated photonic neural networks based on VCSEL arrays, Nanophotonics, 12(5), pp. 827–832
- ↑ Ledentsov, N. N. e.a. Speed VCSEL Technology and Applications in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 6, pp. 1749-1763, 15 March15, 2022
- ↑ Feng Zhang e.a. High-beam-quality low-resistance vertical-cavity surface-emitting laser array with graphene electrode in Optics Express 32, 8205-8213 (2024)
- ↑ Iga, Kenichi (2008) Vertical-cavity surface-emitting laser: Its conception and evolution, Japanese Journal of Applied Physics, 47(1), pp. 1–10
- ↑ Pan, G. e.a. (2024) Harnessing the capabilities of VCSELs: unlocking the potential for advanced integrated photonic devices and systems, in Light: Science & Applications, 13, article 229.
- ↑ Inphenix (2021) Applications of VCSEL in Various Industries, Inphenix. Geraadpleegd op 6 maart 2026
- ↑ Optica (2024) Optica Awards Kenichi Iga the 2024 Frederic Ives Medal/Jarus W. Quinn Prize, Optica Newsroom, 21 February. Geraadpleegd op 6 maart 2026
- ↑ SLAC National Accelerator Laboratory, Environment, Safety & Health Division (2023) Laser Pointer Requirements (SLAC-I-730-0A05S-010-R004)
