Ny single-mode halvlederlaser leverer strøm med skalerbarhed

Berkeleys ingeniører har skabt en ny type halvlederlaser, der opnår et uhåndgribeligt mål inden for optik:evnen til at opretholde en enkelt tilstand af udsendt lys og samtidig bevare evnen til at skalere op i størrelse og kraft. Det er en præstation, der betyder, at størrelse ikke behøver at komme på bekostning af sammenhæng, hvilket gør det muligt for lasere at være mere kraftfulde og dække længere afstande til mange applikationer.

Et forskerhold ledet af Boubacar Kanté, Chenming Hu-lektor ved UC Berkeley's Department of Electrical Engineering and Computer Sciences (EECS) og fakultetsforsker ved Materials Sciences Division af Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), viste, at en halvledermembran perforerede med jævnt fordelte og samme størrelse huller fungerede som et perfekt skalerbart laserhulrum. De demonstrerede, at laseren udsender en ensartet, enkelt bølgelængde, uanset størrelsen af ​​hulrummet.

Forskerne beskrev deres opfindelse, kaldet Berkeley Surface Emitting Lasers (BerkSELs), i en undersøgelse offentliggjort onsdag den 29. juni i tidsskriftet Nature .

"At øge både størrelsen og kraften af ​​en single-mode laser har været en udfordring inden for optik, siden den første laser blev bygget i 1960," sagde Kanté. "Seks årtier senere viser vi, at det er muligt at opnå begge disse kvaliteter i en laser. Jeg betragter dette som det vigtigste papir, min gruppe har udgivet til dato."

På trods af det store udvalg af applikationer, der blev indledt af opfindelsen af ​​laseren – fra kirurgiske værktøjer til stregkodescannere til præcisionsætsning – har der været en vedvarende grænse, som forskere i optik har måttet kæmpe med. Det sammenhængende, enkeltbølgelængde retningsbestemte lys, der er en definerende karakteristik af en laser, begynder at bryde ned, når størrelsen af ​​laserhulrummet øges. Standardløsningen er at bruge eksterne mekanismer, såsom en bølgeleder, til at forstærke strålen.

"At bruge et andet medium til at forstærke laserlys tager meget plads," sagde Kanté. "Ved at eliminere behovet for ekstern forstærkning kan vi formindske størrelsen og øge effektiviteten af ​​computerchips og andre komponenter, der er afhængige af lasere."

Undersøgelsens resultater er særligt relevante for lasere, der udsender vertikal hulrum, eller VCSEL'er, hvor laserlys udsendes lodret ud af chippen. Sådanne lasere bruges i en lang række applikationer, herunder fiberoptisk kommunikation, computermus, laserprintere og biometriske identifikationssystemer.

VCSEL'er er typisk små og måler et par mikrometer brede. Den nuværende strategi, der bruges til at øge deres magt, er at klynge hundredvis af individuelle VCSEL'er sammen. Fordi laserne er uafhængige, er deres fase og bølgelængde forskellige, så deres kraft kombineres ikke sammenhængende.

"Dette kan tolereres for applikationer som ansigtsgenkendelse, men det er ikke acceptabelt, når præcision er kritisk, som i kommunikation eller til kirurgi," sagde studiet medlederforfatter Rushin Contractor, en EECS Ph.D. studerende.

Kanté sammenligner den ekstra effektivitet og kraft, som BerkSEL's single-mode lasering muliggør, med en skare af mennesker, der får en stoppet bus til at bevæge sig. Multi-mode lasering er beslægtet med folk, der skubber i forskellige retninger, sagde han. Det ville ikke kun være mindre effektivt, men det kunne også virke kontraproduktivt, hvis folk skubber i modsatte retninger. Single-mode lasing i BerkSELs kan sammenlignes med, at hver person i mængden skubber bussen i samme retning. Dette er langt mere effektivt end hvad der gøres i eksisterende lasere, hvor kun en del af mængden bidrager til at skubbe bussen.

Undersøgelsen fandt, at BerkSEL-designet muliggjorde single-mode lysemission på grund af fysikken i lyset, der passerer gennem hullerne i membranen, et 200 nanometer tykt lag af indium galliumarsenidphosphid, en halvleder, der almindeligvis anvendes i fiberoptik og telekommunikationsteknologi. Hullerne, som blev ætset ved hjælp af litografi, skulle have en fast størrelse, form og afstand fra hinanden.

Forskerne forklarede, at de periodiske huller i membranen blev Dirac-punkter, et topologisk træk ved todimensionelle materialer baseret på den lineære spredning af energi. De er opkaldt efter den engelske fysiker og nobelpristager Paul Dirac, kendt for sine tidlige bidrag til kvantemekanik og kvanteelektrodynamik.

Forskerne påpeger, at lysfasen, der udbreder sig fra det ene punkt til det andet, er lig med brydningsindekset ganget med den tilbagelagte afstand. Fordi brydningsindekset er nul ved Dirac-punktet, er lys, der udsendes fra forskellige dele af halvlederen, nøjagtigt i fase og dermed optisk det samme.

"Membranen i vores undersøgelse havde omkring 3000 huller, men teoretisk set kunne det have været 1 million eller 1 milliard huller, og resultatet ville have været det samme," sagde studiets medansvarlige forfatter, Walid Redjem, en EECS postdoc-forsker.

Forskerne brugte en højenergi-pulserende laser til optisk at pumpe og levere energi til BerkSEL-enhederne. De målte emissionen fra hver blænde ved hjælp af et konfokalt mikroskop optimeret til nær-infrarød spektroskopi.

Halvledermaterialet og dimensionerne af strukturen anvendt i denne undersøgelse blev udvalgt for at muliggøre lasering ved telekommunikationsbølgelængde. Forfattere bemærkede, at BerkSEL'er kan udsende forskellige målbølgelængder ved at tilpasse designspecifikationerne, såsom hulstørrelse og halvledermateriale.

Andre undersøgelsesforfattere er Wanwoo Noh, medhovedforfatter, der fik sin ph.d. grad i EECS i maj 2022; Wayesh Qarony, Scott Dhuey og Adam Schwartzberg fra Berkeley Lab; og Emma Martin, ph.d. studerende i EECS. + Udforsk yderligere

Forskere opfinder topologisk hulrums overflade-emitterende laser