Halfgeleiderlasers zijn de meest gebruikte lasers vanwege hun compacte formaat, hoge efficiëntie, lage kosten en brede spectra. Maar ze hebben een laag uitgangsvermogen en een lage straalkwaliteit - twee specificaties die moeilijk tegelijkertijd te verbeteren zijn. Hoewel een grotere holte bijvoorbeeld het vermogen verhoogt, ondersteunt het meer modi om te laseren, wat de straalkwaliteit vermindert.

Eerder werd een Dirac-vortex topologische holte aangetoond door de L01-groep aan het Institute of Physics van de Chinese Academie van Wetenschappen (CAS) onder leiding van prof. Lu Ling. Het biedt de beste single-mode selectie over het grootste gebied. Dit holteontwerp werd voorgesteld om de bovengenoemde knelpunten van halfgeleiderlasers te overwinnen en tegelijkertijd het uitgangsvermogen en de bundelkwaliteit te verbeteren.

Onlangs paste hetzelfde team hun topologische holte toe op oppervlakte-emitterende lasers en vond de topologische-holte-oppervlakte-emitterende laser (TCSEL) uit, waarvan de prestaties veel hoger kunnen zijn dan die van de commerciële tegenhangers.

Volgens hun rapport gepubliceerd in Nature Photonics , TCSEL is in staat tot 10 W piekvermogen, sub-graden bundeldivergentie, 60 dB side-mode onderdrukkingsverhouding en tweedimensionale (2D) multigolflengte-array, laseren bij 1.550 nm - de belangrijkste communicatie- en oogveilige golflengte. Het kan ook op elk ander golflengtebereik werken en is veelbelovend voor een grote verscheidenheid aan toepassingen, waaronder LiDAR voor gezichtsherkenning, zelfrijdende auto's en virtual reality.

De onderzoekers vergeleken TCSEL met de standaard industriële producten van single-mode halfgeleiderlasers. De gedistribueerde feedback (DFB) edge-emitting laser die wordt gebruikt in internetcommunicatie, evenals de verticale-cavity surface-emitting laser (VCSEL) die gezichtsherkenning van mobiele telefoons mogelijk maakt, nemen beide de mid-gap-modus in hun geoptimaliseerde 1D-resonatorontwerpen. TCSEL vervolgt dit succesvolle pad door de 2D-versie van de topologische mid-gap-modus te realiseren die meer geschikt is voor het vlakke proces op halfgeleiderchips.

Enkelvoudige modus voor groot gebied is een unieke eigenschap van TCSEL, die de (>10 W) en bundeldivergentie (<1°) verbetert. Daarentegen is de output van commerciële DFB over het algemeen in de orde van tientallen mW en de output van een enkele VCSEL is enkele mW; de typische divergentiehoek van oppervlakte-emissie is 20° en de straal van de randzender is over het algemeen slechter.

Volgens de optische microscoop en scanning-elektronenmicroscopiebeelden met een diameter van 500 m is de iconische vortexstructuur van de Dirac-vortexholte duidelijk te zien. Het verre veld van TCSEL is een vectorbundel met radiale polarisaties. Belangrijk is dat een dergelijke nauwe divergentie (sub-1°) van TCSEL, zonder collimerende lenzen, de systeemomvang, complexiteit en kosten in systemen zoals 3D-detectie kan verminderen.

Bovendien is golflengteflexibiliteit een ander uniek kenmerk van TCSEL, zoals de mogelijkheid om monolithische 2D-arrays met meerdere golflengten te realiseren. Ter vergelijking:VCSEL mist in het algemeen de afstembaarheid van de golflengte, aangezien de verticale holte, die de lasergolflengte bepaalt, door epitaxie wordt gegroeid. Hoewel de DFB-laser de golflengte kan aanpassen, kan deze alleen een 1D-array met meerdere golflengten bereiken voor randemissie.

Daarentegen kan de golflengte van TCSEL willekeurig worden aangepast tijdens het vlakke fabricageproces. In Fig. 2 (rechts), door de roosterconstante te veranderen, varieert de corresponderende lasergolflengte lineair van 1.512 nm tot 1.616 nm. Elke laser in de 2D-array werkt stabiel in een enkele modus met een onderdrukkingsverhouding van de zijmodus van meer dan 50 dB. De 2D multi-golflengte TCSEL-arrays kunnen mogelijk de multiplextechnologie met golflengteverdeling verbeteren voor signaaltransmissie met hoge capaciteit en multispectrale detectietoepassingen.

Topological physics has been the focus of fundamental research since the discovery of the quantum Hall effect and was awarded three Nobel physics prizes (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. + Verder verkennen

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