Новый одномодовый полупроводниковый лазер обеспечивает мощность с масштабируемостью
Инженеры Беркли создали новый тип полупроводникового лазера, который достигает неуловимой цели в области оптики: способность поддерживать одну моду излучаемого света, сохраняя при этом возможность увеличения размера и мощности. Это достижение означает, что размер не должен достигаться за счет когерентности, что позволяет лазерам быть более мощными и покрывать большие расстояния для многих приложений.
Схема поверхностно-излучающего лазера Беркли (BerkSEL), показывающая луч накачки (синий) и лазерный луч (красный). Нетрадиционная конструкция полупроводниковой мембраны синхронизирует все элементарные ячейки (или резонаторы) по фазе, так что все они участвуют в режиме генерации. Предоставлено: группа Boubacar Kanté.
Исследовательская группа под руководством Бубакара Канте, адъюнкт-профессора Ченмин Ху кафедры электротехники и компьютерных наук Калифорнийского университета в Беркли (EECS) и научного сотрудника отдела материаловедения Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (лаборатория Беркли), показала, что полупроводниковая мембрана перфорирована. с равномерно расположенными отверстиями одинакового размера функционировал как идеально масштабируемый лазерный резонатор. Они продемонстрировали, что лазер излучает постоянную единственную длину волны, независимо от размера резонатора.
Исследователи описали свое изобретение, получившее название Berkeley Surface Emitting Lasers (BerkSELs), в исследовании, опубликованном в среду, 29 июня, в журнале Nature.
«Увеличение размера и мощности одномодового лазера было проблемой в оптике с тех пор, как в 1960 году был построен первый лазер, — сказал Канте. «Шесть десятилетий спустя мы показываем, что в лазере можно достичь обоих этих качеств. Я считаю это наиболее важной статьей, опубликованной моей группой на сегодняшний день».
Несмотря на широкий спектр применений, появившихся с изобретением лазера — от хирургических инструментов до сканеров штрих-кодов и прецизионного травления — существовал постоянный предел, с которым исследователям в области оптики приходилось бороться. Когерентный направленный свет с одной длиной волны, который является определяющей характеристикой лазера, начинает разрушаться по мере увеличения размера резонатора лазера. Стандартным обходным решением является использование внешних механизмов, таких как волновод, для усиления луча.
«Использование другого носителя для усиления лазерного излучения требует много места», — сказал Канте. «Устраняя необходимость во внешнем усилении, мы можем уменьшить размер и повысить эффективность компьютерных микросхем и других компонентов, использующих лазеры».
Схема, показывающая «конусы Дирака». Свет излучается синхронно из всего полупроводникового резонатора в результате сингулярности точки Дирака. Предоставлено: группа Boubacar Kanté.
Результаты исследования особенно актуальны для лазеров с вертикальным резонатором, излучающих поверхность, или VCSEL, в которых лазерный свет излучается вертикально из чипа. Такие лазеры используются в самых разных областях, включая оптоволоконные коммуникации, компьютерные мыши, лазерные принтеры и системы биометрической идентификации.
VCSEL обычно крошечные, размером несколько микрон в ширину. Текущая стратегия, используемая для повышения их мощности, заключается в объединении сотен отдельных VCSEL вместе. Поскольку лазеры независимы, их фаза и длина волны различаются, поэтому их мощность не сочетается когерентно.
«Это можно допустить для таких приложений, как распознавание лиц, но это неприемлемо, когда точность имеет решающее значение, например, в коммуникациях или в хирургии», — сказал соавтор исследования Рашин Контрактор, доктор философии EECS.
Канте сравнивает дополнительную эффективность и мощность, обеспечиваемые одномодовым лазером BerkSEL, с толпой людей, толкающих застрявший автобус. По его словам, многомодовая генерация сродни тому, как люди двигаются в разных направлениях. Это было бы не только менее эффективно, но и могло бы привести к обратным результатам, если бы люди двигались в противоположных направлениях. Одномодовая генерация в BerkSEL сравнима с каждым человеком в толпе, толкающим автобус в одном направлении. Это намного эффективнее, чем то, что делается в существующих лазерах, где толкает автобус только часть толпы.
Исследование показало, что конструкция BerkSEL обеспечивает одномодовое излучение света благодаря физике света, проходящего через отверстия в мембране, слой толщиной 200 нанометров из фосфида арсенида индия-галлия, полупроводника, обычно используемого в волоконной оптике и телекоммуникационная техника. Отверстия, выгравированные с помощью литографии, должны были иметь фиксированный размер, форму и расстояние друг от друга.
Исследователи объяснили, что периодические отверстия в мембране стали точками Дирака, топологической особенностью двумерных материалов, основанной на линейной дисперсии энергии. Они названы в честь английского физика и лауреата Нобелевской премии Поля Дирака, известного своим ранним вкладом в квантовую механику и квантовую электродинамику.
Вид сверху на сканирующую электронную микрофотографию лазера поверхностного излучения Беркли (BerkSEL). Фотонный кристалл с гексагональной решеткой (PhC) образует электромагнитный резонатор. Предоставлено: группа Boubacar Kanté.
Исследователи отмечают, что фаза света, распространяющегося из одной точки в другую, равна показателю преломления, умноженному на пройденное расстояние. Поскольку в точке Дирака показатель преломления равен нулю, свет, излучаемый из разных частей полупроводника, находится точно в фазе и, следовательно, оптически одинаков.
«В мембране в нашем исследовании было около 3000 отверстий, но теоретически это могло быть 1 миллион или 1 миллиард отверстий, и результат был бы таким же», — сказал соавтор исследования Валид Редджем, постдокторский исследователь EECS.
Исследователи использовали высокоэнергетический импульсный лазер для оптической накачки и обеспечения энергией устройств BerkSEL. Они измерили эмиссию из каждой апертуры с помощью конфокального микроскопа, оптимизированного для спектроскопии в ближней инфракрасной области.
Полупроводниковый материал и размеры структуры, использованной в этом исследовании, были выбраны таким образом, чтобы обеспечить генерацию на телекоммуникационной длине волны. Авторы отметили, что BerkSEL могут излучать волны разной целевой длины, адаптируя конструктивные характеристики, такие как размер отверстия и материал полупроводника.
Другими авторами исследования являются Ванву Но, соавтор, получивший докторскую степень в EECS в мае 2022 года; Вайеш Карони, Скотт Дьюи и Адам Шварцберг из лаборатории Беркли; и Эмма Мартин, доктор философии, студент в EECS.
