Högeffektiva ytemitterande lasrar

Forskningsprojekt, 2011 – 2014

Halvledarlasrar används idag i allt från fiberoptisk kommunikation och optiska minnen till olika typer av optiska sensorer och materialbearbetning. I de flesta tillämpningar används s.k. kantemitterande lasrar som emitterar laserljus från en kant av det chip av halvledarmaterial som lasern är gjord av. Sådana lasrar började utvecklas redan på 60-talet. Under senare år har ytemitterande halvledarlasrar utvecklats, där ljuset, som namnet antyder, istället emitteras från chipets yta. Dessa brukar benämnas VCSELs, efter det engelska namnet Vertical Cavity Surface Emitting Lasers. Till skillnad från kantemitterande lasrar så behöver VCSELs betydligt mindre ström, emitterar ljus i en mer rund stråle med lägre divergens och kan moduleras vid höga frekvenser vid lägre ström. Dessutom är dom betydligt billigare att producera då tillverkningen på många sätt liknar den som används vid produktion av lysdioder. Därför har VCSELs kommit att bli en viktig typ av laser för olika tillämpningar och produceras idag i en volym nära 100 miljoner per år. Tillämpningarna finns främst inom fiberoptisk kommunikation och optiska sensorer. Som exempel kan nämnas korta fiberoptiska länkar med mycket hög kapacitet som används för att länka samman datorer, switchar, servrar och annan datautrustning i s.k. "data centers" som styr all internettrafik. Ett annat exempel är optiska möss där laserljus används för att bestämma musens position med hög tids- och rumsupplösning. Trots allt arbete med utveckling av allt snabbare VCSELs med allt högre uteffekt under senare år är laserns effektverkningsgrad, dvs. hur effektivt elektrisk effekt omvandlas till optisk effekt, inte lika hög som för kantemittrar. Den begränsade effektverkningsgraden leder inte bara till högre effektförbrukning utan begränsar också uteffekten och snabbheten eftersom begränsad verkningsgrad leder till en högre chiptemperatur. En väsentlig förbättring av effektverkningsgraden skulle ha en enorm betydelse för denna laserteknik och för de tillämpningar den möjliggör. Målet med projektet är därför att nå en effektverkningsgrad så hög som 80%, vilket är den verkningsgrad som de mest effektiva kantemittrarna nått. Ett så ambitiöst mål innebär stora utmaningar, såväl vetenskapligt som tekniskt. Vi kommer att arbeta mot detta mål genom att förbättra verkningsgraden i varje del av den flerstegsprocess som konverteringen av elektrisk till optisk effekt utgör. Till vår hjälp har vi avancerade optiska, elektriska och termiska VCSEL-modeller som vi utvecklat under ett flertal år. För varje ny design kommer VCSELs att tillverkas och utvärderas med avseende på effektverkningsgrad och andra egenskaper av betydelse för olika tillämpningar.