Forskere opfinder topologisk hulrum overflade-emitterende laser

Halvlederlasere er de mest udbredte lasere på grund af deres kompakte størrelse, høje effektivitet, lave omkostninger og brede spektre. Men de lider under lav udgangseffekt og lav strålekvalitet - to specifikationer, der er svære at forbedre samtidigt. For eksempel, selvom et større hulrum øger effekten, understøtter det flere tilstande til laser, hvilket reducerer strålekvaliteten.

Tidligere blev et Dirac-hvirvel topologisk hulrum demonstreret af L01-gruppen ved Institut for Fysik ved Det Kinesiske Videnskabsakademi (CAS) ledet af Prof. Lu Ling. Det tilbyder det bedste single-mode udvalg over det største område. Dette hulrumsdesign blev foreslået for at overvinde de ovennævnte flaskehalse ved halvlederlasere og forbedrer samtidig udgangseffekten og strålekvaliteten.

For nylig anvendte det samme hold deres topologiske hulrum på overfladeemitterende lasere og opfandt den topologiske hulrum overfladeemitterende laser (TCSEL), hvis ydeevne kan langt overstige de kommercielle modparter.

Ifølge deres rapport offentliggjort i Nature Photonics , TCSEL er i stand til 10 W spidseffekt, sub-graders stråledivergens, 60 dB side-mode undertrykkelsesforhold og todimensionel (2D) multibølgelængdearray, der laserer ved 1.550 nm - den vigtigste kommunikations- og øjensikre bølgelængde. Den kan også fungere ved ethvert andet bølgelængdeområde og er lovende til en lang række applikationer, herunder LiDAR til ansigtsgenkendelse, selvkørende og virtual reality.

Forskerne sammenlignede TCSEL med standard industrielle produkter af single-mode halvlederlasere. Den distribuerede feedback (DFB) kant-emitterende laser, der bruges i internetkommunikation, såvel som den vertikale hulrums overfladeemitterende laser (VCSEL), der muliggør mobiltelefonansigtsgenkendelse, anvender begge mid-gap-tilstanden i deres optimerede 1D-resonatordesign. TCSEL fortsætter denne succesrige vej ved at realisere 2D-versionen af ​​topologisk mid-gap mode, der er mere velegnet til den plane proces på halvlederchips.

Enkelttilstand for stort område er en unik egenskab ved TCSEL, som forbedrer (>10 W) og stråledivergensen (<1°). I modsætning hertil er outputtet af kommerciel DFB generelt i størrelsesordenen titusinder af mW, og outputtet af en enkelt VCSEL er nogle få mW; den typiske divergensvinkel for overfladeemission er 20°, og kantens stråle er generelt dårligere.

Ifølge det optiske mikroskop og scanningelektronmikroskopibilleder med en diameter på 500 μm kan den ikoniske hvirvelstruktur fra Dirac-hvirvelhulrummet ses tydeligt. Det fjerne felt af TCSEL er en vektorstråle med radiale polariseringer. Det er vigtigt, at en sådan snæver divergens (under-1°) af TCSEL, uden kollimerende linser, kan reducere systemstørrelsen, kompleksiteten og omkostningerne i systemer som 3D-sensing.

Derudover er bølgelængdefleksibilitet en anden unik egenskab ved TCSEL, såsom evnen til at opnå monolitiske 2D multi-bølgelængde arrays. Til sammenligning mangler VCSEL generelt bølgelængdejustering, da det lodrette hulrum, der bestemmer laserbølgelængden, dyrkes epitaksi. Selvom DFB-laser kan justere bølgelængden, kan den kun opnå 1D multi-bølgelængde-array til kant-emission.

I modsætning hertil kan bølgelængden af ​​TCSEL justeres vilkårligt under den plane fremstillingsproces. I fig. 2 (til højre) varierer den tilsvarende laserbølgelængde lineært fra 1.512 nm til 1.616 nm ved at ændre gitterkonstanten. Hver laser i 2D-arrayet fungerer stabilt i en enkelt tilstand med et sidemodeundertrykkelsesforhold på mere end 50dB. 2D multi-bølgelængde TCSEL-arrays kan potentielt forbedre bølgelængde-division multiplexing-teknologien til højkapacitets signaltransmission og multi-spektrale sensing-applikationer.

Topologisk fysik har været i fokus for grundforskning siden opdagelsen af ​​kvante Hall-effekten og blev tildelt tre Nobelpriser for fysik (1985, 1998, 2016). Although topological robustness could significantly improve the device stability and specifications, the application of topological physics remains elusive. TCSEL could make a difference. + Udforsk yderligere

Researchers propose multi-aperture vertical cavity surface emitting lasers of varying size and shape