Merevolusi Laser: Teknologi Cincin Semikonduktor yang Dapat Disetel

Sebuah tim ilmuwan dari Universitas Teknologi Wina (TU Wien) dan Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) baru saja mengungkapkan metode baru untuk membuat laser cincin semikonduktor yang dapat disetel. Laser canggih ini berpotensi menyediakan komunikasi berdaya tinggi, sistem keamanan yang lebih maju, dan banyak lagi. Berikut yang perlu Anda ketahui.

Jenis-Jenis Laser yang Dapat Disetel dan Keuntungannya

Baru enam tahun setelah Theodore H. Maiman menunjukkan laser pertama menggunakan batang ruby sintetis, para peneliti mulai mengerjakan laser yang dapat disetel. Tidak seperti pendahulunya yang memiliki panjang gelombang tetap, laser ini dapat diatur untuk memancarkan cahaya pada berbagai panjang gelombang, menjadikannya ideal untuk aplikasi presisi seperti komunikasi optik dan mikroskopi. Oleh karena itu, laser yang dapat disetel telah menjadi komponen penting dalam bidang teknologi tinggi dan medis saat ini.

Kategori Laser yang Dapat Disetel: Gas, Serat, OPO, & Semikonduktor

Saat ini, terdapat banyak jenis laser yang dapat disetel termasuk laser gas, laser serat, osilator parametrik optik (OPO), dan laser semikonduktor. Laser semikonduktor yang dapat disetel dianggap oleh banyak orang sebagai pilihan paling canggih. Mereka menawarkan faktor bentuk yang kompak, mendukung rentang panjang gelombang yang luas, dan memberikan daya yang memadai.

Kekurangan Laser yang Dapat Disetel

Teknologi laser yang dapat disetel telah mengalami lonjakan besar dalam kemampuan. Namun, masih ada banyak keterbatasan yang menghambat teknologi ini mencapai potensi maksimalnya. Misalnya, laser yang dapat disetel dengan rentang gelombang luas seringkali memberikan presisi yang lebih rendah. Selain itu, biaya produksi perangkat ini dan kerapuhan keseluruhan mereka dianggap sebagai hambatan bagi pengembangannya.

Cara Menyetel Laser Semikonduktor

Ada dua metode utama untuk membuat dan menyetel laser semikonduktor. Metode pertama memerlukan kisi presisi yang ditambahkan ke punggungan laser. Kisi ini dipotong pada sudut yang tepat pada skala nano untuk menghasilkan umpan balik optik yang selektif frekuensi. Pengaturan ini memungkinkan insinyur memperkuat panjang gelombang tertentu dan mengurangi interferensi dari yang lain dengan mengubah arus laser.

Sumber – Military Aerospace

Metode kedua untuk menyetel laser semikonduktor menggunakan resonator eksternal. Dalam pengaturan ini, kisi difraksi yang berputar memantulkan panjang gelombang yang tepat ke dalam resonator. Resonator, yang mengubah panjang gelombang menjadi laser, dapat disesuaikan dengan memutarnya.

Masalah pada Laser Semikonduktor Saat Ini

Bidang laser semikonduktor memiliki beberapa kekurangan yang telah diupayakan oleh insinyur selama bertahun‑tahun untuk diatasi. Salah satunya adalah keseimbangan antara presisi dan kemampuan jangkauan. Sampai kini, Anda hanya dapat memiliki perangkat yang sangat presisi atau yang dapat mencakup berbagai panjang gelombang dengan cukup baik.

Masalah lain pada laser semikonduktor adalah penurunan kinerja yang signifikan saat suhu naik. Ketika laser semikonduktor menjadi panas, ia kehilangan daya, efisiensi, dan bahkan dapat rusak. Oleh karena itu, belum mungkin mencapai penyetelan berkelanjutan tanpa lompatan (hop‑free) jangka panjang di seluruh spektrum yang luas.

Studi Laser Cincin Semikonduktor

Menyadari keterbatasan ini, insinyur Harvard dan ilmuwan dari institusi terkemuka lainnya berusaha menciptakan laser semikonduktor pertama dengan spektrum luas dan akurasi tinggi. Mereka mendokumentasikan perjalanan mereka dalam studi “Continuously and widely tunable semiconductor ring lasers” yang dipublikasikan di jurnal ilmiah Optica.

Makalah tersebut mengungkapkan pekerjaan mereka pada jenis baru laser semikonduktor yang dapat disetel yang menggunakan arsitektur laser quantum cascade (QCL) berbentuk cincin-array untuk memberikan penyetelan yang halus sambil mendukung rentang spektral yang diperluas. Perlu dicatat, laser quantum cascade adalah laser semikonduktor yang menghasilkan sinar pada spektrum inframerah jauh.

Desain Ring QCL: Array Independen, Dapat Diresapi

Tim memulai pekerjaan mereka dengan membuat beberapa QCL cincin kecil yang dapat diakses secara independen. Perlu dicatat, laser cincin memiliki dua berkas cahaya dengan polarisasi yang sama. Berkas-berkas ini diarahkan ke arah berlawanan di sekitar loop tertutup yang dibentuk oleh cermin. Pendekatan ini memungkinkan pengukuran yang akurat dari pergerakan terkecil. Oleh karena itu, laser cincin biasanya digunakan dalam sistem navigasi sebagai giroskop.

Dalam kasus ini, ilmuwan menciptakan laser cincin menggunakan material aktif laser quantum cascade dan proses dry‑etch. Selain itu, setiap cincin dilengkapi dengan kontak listrik dan sebuah bus waveguide. Insinyur mencatat bahwa pendekatan ini memberikan kinerja yang ditingkatkan, mengurangi kehilangan optik pada bus waveguide.

Setiap cincin dikembangkan dengan radius yang berbeda. Penggunaan cincin dengan ukuran berbeda menghasilkan frekuensi lasing yang berbeda untuk setiap ruang. Pendekatan ini memungkinkan insinyur menyetel setiap cincin secara terpisah tanpa mengalami penurunan dalam proses lasing.

Mencapai Emisi Mode Tunggal Menggunakan Ring Couplers

Pendekatan unik ini memungkinkan insinyur menggunakan beberapa cincin secara bersamaan untuk menghasilkan daya dan panjang gelombang tertentu. Sistem ini memungkinkan insinyur menggabungkan berkas dari setiap cincin ke dalam satu waveguide melalui coupler arah evanescent pada bagian lurus laser. Secara cermat, coupler arah mencegah kisi gain dengan memastikan cahaya hanya bergerak dalam satu arah.

Emisi Waveguide Melalui Desain Berbasis Facet

Tim mencatat bahwa laser mereka menggunakan metode unik dalam pemancaran cahaya. Sistem ini mengandalkan pendekatan pemancaran facet yang melewati bus waveguide. Waveguide dapat digunakan untuk menyetel dan memperkuat frekuensi laser sesuai kebutuhan pada suhu ruang.

Desain Laser Cincin Modular Memungkinkan Skalabilitas

Desain modular dari pengaturan laser ini berarti insinyur dapat menskalakan sesuai kebutuhan apa pun. Selain itu, laser cincin dapat dioperasikan secara bersamaan atau dalam mode cincin tunggal. Dengan demikian, menggabungkan laser menghasilkan berkas yang lebih kuat dan lebih intens, menjadikannya ideal untuk beberapa aplikasi teknologi tinggi.

Pengujian Laser Cincin Semikonduktor

Para insinyur memulai pengujian teori mereka di fasilitas ruang bersih Center for Micro and Nanostructures TU Wien. Di sana mereka membuat perangkat lasing dengan 5 cincin, masing‑masing dengan radius yang berbeda. Secara spesifik, ukuran cincin bervariasi antara 220 hingga 260 µm.

Setelah dibuat, tim kemudian menguji berbagai pengaturan laser dan panjang gelombang. Dalam satu kasus, mereka menggabungkan rentang penyetelan tiga cincin berbeda untuk menguji penyetelan tanpa lompatan mode (mode‑hop‑free) pada lebar pita yang luas.

Hasil Pengujian Laser Cincin Semikonduktor

Hasil pengujian menguatkan model insinyur. Tim mencatat bahwa QCL cincin tunggal dapat memancarkan berkas hingga 0,5 mW dalam operasi gelombang kontinu pada suhu ruang. Pengujian juga mengungkapkan bahwa chip laser mempertahankan output panjang gelombang yang stabil, meskipun terjadi injeksi optik intens pada facet laser. Pengujian ini menunjukkan bahwa desain laser baru tahan terhadap tingkat umpan balik optik yang tinggi.

Selain itu, insinyur mencatat bahwa kinerjanya sebanding dengan laser DFB multi‑section. Penemuan ini merupakan tonggak penting karena berarti laser ini dapat dibuat tanpa perlu memfabricasi kisi unik sepanjang wilayah aktif setiap laser.

Secara khusus, tim berhasil memanfaatkan tiga cincin laser untuk secara halus menyapu lebar pita optik dari 266 GHz hingga 395 GHz. Aksi penyapuan berlangsung mulus, dan terdapat tumpang tindih spektral yang minimal antar cincin. Perlu dicatat, perangkat menghasilkan berkas yang sangat stabil di bawah injeksi optik yang tinggi.

Manfaat Laser Cincin Semikonduktor

Ada banyak manfaat yang akan dibawa studi ini ke pasar laser. Pertama, desain ini tidak memiliki bagian bergerak dan jauh lebih mudah serta terjangkau untuk diproduksi. Dengan mengurangi biaya pembuatan laser kelas atas, hal ini membuka peluang untuk lebih banyak skenario penggunaan dan adopsi lebih lanjut.

Ukuran Kecil

Perangkat ini memiliki faktor bentuk kecil yang menggunakan laser cincin yang dapat diperbesar atau diperkecil untuk memenuhi kebutuhan spesifik. Strategi ini memungkinkan penyetelan halus panjang gelombang dan emisi yang stabil. Laser yang lebih kecil akan membantu mendorong teknologi masa depan dan perangkat yang dapat dipakai.

Perlu dicatat, laser yang dapat disetel tradisional memancarkan satu panjang gelombang pada satu waktu. Sebaliknya, modularitas laser ring‑array memungkinkan beberapa cincin beroperasi secara bersamaan dan menargetkan panjang gelombang individual dengan menggunakan radius cincin yang berbeda.

Umpan Balik Berkurang dan Stabilitas Berkas yang Ditingkatkan

Penggunaan beberapa laser cincin dan coupler unidirectional membantu mengurangi pantulan balik, yang sebelumnya menjadi masalah pada desain laser sebelumnya. Dengan demikian, struktur ini dapat mendukung laser yang kuat yang dapat menangani lebih banyak energi untuk menghasilkan berkas yang lebih kuat dibandingkan pendahulunya.

Aplikasi Dunia Nyata Laser Cincin Semikonduktor

Ada beberapa aplikasi dunia nyata untuk teknologi ini. Pertama, laser merupakan kompetensi penting dalam banyak bidang teknologi tinggi saat ini. Menciptakan perangkat yang lebih kuat dan berguna akan membantu menurunkan biaya teknologi saat ini sekaligus mendorong munculnya produk inovatif. Berikut beberapa contoh penggunaan teknologi ini.

Komunikasi

Industri telekomunikasi selalu mencari laser yang lebih kuat. Pengembangan terbaru ini dapat membantu menciptakan super jaringan yang mampu mentransmisikan data berkecepatan tinggi pada tingkat yang sebelumnya tak terbayangkan. Perangkat ini suatu hari dapat digunakan untuk mentransmisikan data melintasi alam semesta, menjaga agar pelancong luar angkasa tetap terhubung dengan Bumi dari jutaan mil jauhnya.

Medis

Bidang medis menggunakan laser untuk banyak keperluan. Dari pemindaian penyakit hingga koreksi penglihatan, ada banyak cara laser ini akan membantu meningkatkan kesehatan jutaan orang di masa depan. Ukuran yang lebih kecil serta fleksibilitas dan akurasi yang meningkat akan mendukung generasi baru layanan dan prosedur medis otomatis.

Keamanan

Pemindai laser berdaya tinggi merupakan komponen penting di berbagai industri, termasuk sektor gas dan kimia. Perangkat ini memindai masalah sekecil apapun untuk mencegah kegagalan katastrofik. Teknologi ini dapat membantu dalam deteksi kebocoran pada pipa gas, penurunan infrastruktur, dan tugas penting lainnya yang menjaga keselamatan populasi.

Garis Waktu Laser Cincin Semikonduktor

Laser cincin semikonduktor dapat masuk pasar dalam 5‑7 tahun ke depan. Ada permintaan segera untuk teknologi ini, dan produsen akan bersemangat menggunakannya untuk menciptakan produk yang lebih kecil dan lebih canggih. Garis waktu ini akan lebih singkat untuk integrasi militer, yang dapat melihat pengembangan dipercepat untuk memenuhi permintaan yang meningkat di medan perang masa depan.

Peneliti Laser Cincin Semikonduktor

Studi laser cincin semikonduktor merupakan upaya gabungan dari Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) dan Universitas Teknologi Wina (TU Wien). Penelitian dipimpin bersama oleh Federico Capasso dan Vinton Hayes. Selain itu, studi ini mencantumkan Johannes Fuchsberger, Theodore P. Letsou, Dmitry Kazakov, Rolf Szedlak, dan Benedikt Schwarz sebagai kontributor penting. Perlu dicatat, Departemen Pertahanan dan National Science Foundation memberikan pendanaan untuk studi ini melalui hibah.

Apa Selanjutnya untuk Laser Cincin Semikonduktor?

Para peneliti sedang berada di tengah proses mematenkan karya mereka. Selanjutnya, mereka akan mencari produsen untuk mulai mengurangi biaya produksi lebih jauh. Selain itu, tim akan meneliti efek skala perangkat dengan menambahkan lebih banyak cincin.

Berinvestasi di Sektor Laser

Banyak perusahaan di sektor laser telah memperoleh reputasi untuk kualitas dan layanan yang luar biasa. Perusahaan-perusahaan ini telah menghabiskan jutaan dolar untuk meneliti cara menciptakan laser yang paling efisien energi dan berguna selama beberapa dekade. Berikut satu perusahaan yang telah berkontribusi menyediakan perangkat yang dapat diandalkan bagi pasar.

Laser Photonics Corporation 

Laser Photonics Corporation

memasuki pasar pada tahun 1981 untuk menyediakan laser industri kelas atas. Perusahaan ini berlokasi di Orlando, Florida, dan saat ini menawarkan berbagai produk termasuk pembersihan laser, pemotongan, dan sistem pertahanan. (LASE )

Laser Photonics Corporation memperoleh reputasi sebagai pemimpin industri berkat praktik bisnis yang solid dan laser yang dapat diandalkan. Perangkat ini menawarkan solusi berperforma tinggi tanpa perawatan kepada pasar. Selain itu, perusahaan berfokus pada pembuatan produk yang ramah lingkungan dan berkelanjutan.

Pada Oktober 2022, Laser Photonics Corporation mengadakan IPO yang memperoleh pendanaan sebesar $55 juta. Sejak saat itu, perusahaan terus memperluas penawaran dan kliennya. Saat ini, Laser Photonics Corporation melayani beberapa perusahaan Fortune 500 dan dianggap sebagai pemimpin industri.

Laser Cincin Semikonduktor | Kesimpulan

Banyak hal yang menggembirakan ketika membahas studi laser semikonduktor yang dapat disetel. Perangkat ini dapat mengubah banyak industri serta membantu menurunkan biaya dan ukuran elektronik masa depan. Fakta bahwa perangkat mereka lebih mudah dibuat dibandingkan opsi saat ini dan menawarkan penyetelan panjang gelombang yang luas dan presisi dalam format kompak berukuran chip, menjadikannya kemenangan bagi seluruh industri.

Pelajari terobosan menarik lainnya di sini.

Studi yang Dirujuk:

^{1. Johannes Fuchsberger, Theodore P. Letsou, Dmitry Kazakov, Rolf Szedlak, Federico Capasso, and Benedikt Schwarz, “Continuously and widely tunable semiconductor ring lasers,” Optica 12, 985-990 (2025)}