Ingenieurs van Berkeley hebben een nieuw type halfgeleiderlaser ontwikkeld die een ongrijpbaar doel op het gebied van optica bereikt:het vermogen om een ​​enkele modus van uitgestraald licht te behouden, terwijl het vermogen om op te schalen in grootte en kracht behouden blijft. Het is een prestatie die betekent dat de grootte niet ten koste hoeft te gaan van de coherentie, waardoor lasers krachtiger kunnen zijn en grotere afstanden kunnen overbruggen voor veel toepassingen.

Een onderzoeksteam onder leiding van Boubacar Kanté, Chenming Hu Associate Professor in UC Berkeley's Department of Electrical Engineering and Computer Sciences (EECS) en faculteitswetenschapper bij de Materials Sciences Division van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), toonde aan dat een halfgeleidermembraan geperforeerd met gelijkmatig verdeelde gaten van dezelfde grootte functioneerde als een perfect schaalbare laserholte. Ze toonden aan dat de laser een consistente, enkele golflengte uitzendt, ongeacht de grootte van de holte.

De onderzoekers beschreven hun uitvinding, genaamd Berkeley Surface Emitting Lasers (BerkSELs), in een studie gepubliceerd op woensdag 29 juni in het tijdschrift Nature .

"Het vergroten van zowel de grootte als het vermogen van een single-mode laser is een uitdaging geweest in de optica sinds de eerste laser werd gebouwd in 1960", zei Kanté. "Zes decennia later laten we zien dat het mogelijk is om beide kwaliteiten in een laser te bereiken. Ik beschouw dit als het belangrijkste artikel dat mijn groep tot nu toe heeft gepubliceerd."

Ondanks de enorme reeks toepassingen die door de uitvinding van de laser zijn ingeluid - van chirurgische instrumenten tot barcodescanners tot precisie-etsen - is er een hardnekkige limiet waarmee onderzoekers in de optica te kampen hebben gehad. Het coherente, gerichte licht met één golflengte dat een bepalend kenmerk van een laser is, begint af te breken naarmate de laserholte groter wordt. De standaard oplossing is om externe mechanismen te gebruiken, zoals een golfgeleider, om de straal te versterken.

"Het gebruik van een ander medium om laserlicht te versterken neemt veel ruimte in beslag", zegt Kanté. "Door de noodzaak voor externe versterking te elimineren, kunnen we de omvang verkleinen en de efficiëntie verhogen van computerchips en andere componenten die afhankelijk zijn van lasers."

De resultaten van het onderzoek zijn met name relevant voor oppervlakte-emitterende lasers met verticale holtes, of VCSEL's, waarbij laserlicht verticaal uit de chip wordt uitgezonden. Dergelijke lasers worden gebruikt in een breed scala aan toepassingen, waaronder glasvezelcommunicatie, computermuizen, laserprinters en biometrische identificatiesystemen.

VCSEL's zijn meestal klein, met een breedte van enkele microns. De huidige strategie die wordt gebruikt om hun macht te vergroten, is om honderden individuele VCSEL's samen te clusteren. Omdat de lasers onafhankelijk zijn, verschillen hun fase en golflengte, zodat hun kracht niet coherent kan worden gecombineerd.

"Dit kan worden getolereerd voor toepassingen zoals gezichtsherkenning, maar het is niet acceptabel wanneer precisie van cruciaal belang is, zoals bij communicatie of voor operaties", zei mede-hoofdauteur Rushin Contractor, een EECS Ph.D. leerling.

Kanté vergelijkt de extra efficiëntie en kracht die de single-mode laser van BerkSEL mogelijk maakt met een menigte mensen die een vastgelopen bus in beweging krijgt. Multi-mode laseren is verwant aan mensen die in verschillende richtingen duwen, zei hij. Het zou niet alleen minder effectief zijn, maar het zou ook contraproductief kunnen zijn als mensen in tegengestelde richtingen duwen. Single-mode laseren in BerkSEL's is vergelijkbaar met elke persoon in de menigte die de bus in dezelfde richting duwt. Dit is veel efficiënter dan wat wordt gedaan in bestaande lasers waar slechts een deel van de menigte bijdraagt ​​aan het duwen van de bus.

Uit de studie bleek dat het BerkSEL-ontwerp de single-mode lichtemissie mogelijk maakte vanwege de fysica van het licht dat door de gaten in het membraan gaat, een 200 nanometer dikke laag indium-galliumarsenidefosfide, een halfgeleider die veel wordt gebruikt in glasvezel en telecommunicatie technologie. De gaten, die met lithografie werden geëtst, moesten een vaste maat, vorm en afstand van elkaar hebben.

De onderzoekers legden uit dat de periodieke gaten in het membraan Dirac-punten werden, een topologisch kenmerk van tweedimensionale materialen op basis van de lineaire dispersie van energie. Ze zijn vernoemd naar de Engelse natuurkundige en Nobelprijswinnaar Paul Dirac, bekend om zijn vroege bijdragen aan de kwantummechanica en kwantumelektrodynamica.

De onderzoekers wijzen erop dat de lichtfase die zich voortplant van het ene punt naar het andere gelijk is aan de brekingsindex vermenigvuldigd met de afgelegde afstand. Omdat de brekingsindex nul is in het Dirac-punt, is het licht dat door verschillende delen van de halfgeleider wordt uitgezonden precies in fase en dus optisch hetzelfde.

"Het membraan in onze studie had ongeveer 3000 gaten, maar theoretisch hadden het 1 miljoen of 1 miljard gaten kunnen zijn, en het resultaat zou hetzelfde zijn geweest", zei mede-hoofdauteur van het onderzoek, Walid Redjem, een postdoctoraal onderzoeker van EECS.

De onderzoekers gebruikten een gepulseerde laser met hoge energie om de BerkSEL-apparaten optisch te pompen en van energie te voorzien. Ze maten de emissie van elke opening met behulp van een confocale microscoop die is geoptimaliseerd voor nabij-infraroodspectroscopie.

Het halfgeleidermateriaal en de afmetingen van de structuur die in deze studie werden gebruikt, werden geselecteerd om laseren op telecommunicatiegolflengte mogelijk te maken. Auteurs merkten op dat BerkSEL's verschillende doelgolflengten kunnen uitzenden door de ontwerpspecificaties aan te passen, zoals de grootte van het gat en het halfgeleidermateriaal.

Andere auteurs van de studie zijn Wanwoo Noh, co-lead auteur die zijn Ph.D. diploma in EECS in mei 2022; Wayesh Qarony, Scott Dhuey en Adam Schwartzberg van Berkeley Lab; en Emma Martin, een Ph.D. student in de EEG. + Verder verkennen

Wetenschappers vinden oppervlakte-emitterende laser met topologische holte uit