Иллюстрация массива поверхностно-излучающих лазеров с хаотическим резонатором. Этот новый класс массивов лазеров сочетает в себе преимущества хаотических резонаторов и конфигурации с поверхностным излучением, обеспечивая высококачественное освещение и высокоскоростную связь. Кредит: КАУСТ; Омар Альхазраги

Полупроводниковая технология позволяет упаковать все элементы лазера в устройство микрометрового масштаба. Это включает в себя оптически активную область усиления света с зеркалом с высокой отражающей способностью на каждой стороне.

Одним из таких устройств является поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором, или VCSEL. Они создаются путем точного размещения или наращивания чередующихся слоев полупроводника на подложке для создания стопки с высокой отражающей способностью. Затем сверху выращивают активный материал, а затем второй отражающий стек. Затем лазерный свет может излучаться из верхней части устройства.

Преимущество VCSEL состоит в том, что на одной подложке можно создавать и использовать сотни одновременно. Но луч склонен к крапинчатому профилю, что делает его непригодным для таких приложений, как освещение, голография, проецирование и отображение. Для этого требуется равномерный свет в плоскости, перпендикулярной направлению распространения луча.

Спеклы возникают из-за высокоупорядоченной природы полости, которая позволяет испускать только небольшое количество мод или траекторий световых лучей. «VCSEL используют упорядоченный резонатор, который обеспечивает резонанс света только в небольшом количестве мод с исключительно высокой эффективностью», — объясняет исследователь Омар Альхазраги. «Фотоны в этих режимах интерферируют друг с другом, что приводит к спеклам и низкому качеству освещения».

Алхазраги и его коллеги из KAUST вместе с коллегами из Китая показали, что спеклы в лазерном свете от VCSEL можно уменьшить, просто изменив форму устройства, чтобы нарушить симметрию резонатора. Это вносит хаотическое поведение в генерируемый свет и позволяет излучать больше мод.

Алхазраги и его команда исследовали VCSEL с D-образной полостью и сравнили ее со стандартной цилиндрической или O-образной геометрией. Они заметили, что D-образные устройства продемонстрировали существенное снижение когерентности и соответствующее увеличение оптической мощности на 60%, что является максимально достижимым.

Исследователи связывают это улучшение с хаотической динамикой лучей света внутри полости. Поскольку свет излучается во взаимно некогерентных модах, видимость спеклов снижается.

«Машинное обучение может помочь в разработке полостей, которые еще больше максимизируют количество мод, снижают когерентность и, таким образом, уменьшают плотность спеклов до уровня ниже человеческого восприятия », — говорит Алхазраги.