Neuer Singlemode-Halbleiterlaser entwickelt: Gleichzeitige Skalierung von hoher Leistung und Größe
Forscher der University of California, Berkeley (UC Berkeley) haben kürzlich einen neuen Halbleiterlaser namens BerkSEL entwickelt. Die Ergebnisse wurden am 29. Juni in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.
Schema des Berkley Surface Emission Laser (BerkSEL) mit dem Pumpstrahl in Blau und dem Laserstrahl in Rot.
Die gleichzeitige Erhöhung der Größe und Leistung von Singlemode-Lasern ist seit dem Bau des ersten Lasers im Jahr 1960 eine Herausforderung in der Optik. Und diese Arbeit zeigt, dass Größe nicht auf Kosten der Kohärenz gehen muss, wodurch Laser leistungsfähiger werden können und stabil und überbrücken in vielen Anwendungen längere Distanzen.
Ein Forscherteam unter der Leitung von Boubacar Kanté, außerordentlicher Professor am Department of Electrical Engineering and Computer Science (EECS) an der University of California, Berkeley, und Wissenschaftler der Materials Science Division am Lawrence Berkeley National Laboratory haben einen Halbleiterfilm mit einheitlichen Eigenschaften demonstriert beabstandete und gleich große Lochperforationen, die als skalierbarer Laserhohlraum fungieren können. Die Ergebnisse zeigen, dass der Laserstrahl unabhängig von der Größe dieses Laserhohlraums eine konsistente einzelne Wellenlänge emittiert.
Bei herkömmlichen Lasern beginnt kohärentes gerichtetes Licht mit einer einzigen Wellenlänge mit zunehmender Größe des Laserhohlraums aufzubrechen. Die Standardlösung besteht darin, einen externen Mechanismus wie einen Wellenleiter zu verwenden, um den Strahl zu verstärken, dies nimmt jedoch viel Platz in Anspruch. Durch den Wegfall der Notwendigkeit einer externen Verstärkung können Forscher nun die Größe von Computerchips und anderen laserabhängigen Komponenten reduzieren und die Effizienz steigern.
Diese Arbeit ist besonders relevant für die VCSEL-Technologie (Vertical Cavity Surface Emitting Laser). Bei VCSELS wird Licht vertikal von der oberen Oberfläche des Chips emittiert. Die VCSELs sind typischerweise nur wenige Mikrometer breit, und die aktuelle Strategie zur Steigerung ihrer Leistung besteht darin, Hunderte von einzelnen VCSELs zusammenzufassen. Da die Laser unabhängig sind, haben sie unterschiedliche Phasen und Wellenlängen, sodass sich ihre Leistungen nicht kohärent kombinieren – was bei Anwendungen wie der Gesichtserkennung akzeptabel ist, aber bei Anwendungen, bei denen es auf Genauigkeit ankommt, wie Kommunikation oder Chirurgie, völlig unbrauchbar ist.
Das an der UC Berkeley entwickelte "BerkSEL"-Laserdesign ermöglicht eine effizientere Einmoden-Lichtemission, die hauptsächlich auf den physikalischen Eigenschaften von Licht basiert, das durch Löcher in dünnen Filmen fällt. Der von ihnen entwickelte Film ist ein 200- nm dickes Indium-Gallium-Arsenid-Phosphid (ein Halbleiter, der üblicherweise in der Faseroptik und Telekommunikationstechnologie verwendet wird). Die Forscher stellen fest, dass diese regelmäßigen Löcher durch Fotolithografie geätzt werden und eine feste Größe, Form und Entfernung haben müssen – sie können als Dirac-Punkte fungieren, ein topologisches Merkmal von zweidimensionalen Materialien, das auf einer linearen Energieverteilung basiert.
Da außerdem die Lichtphase, die sich von einem Punkt zum anderen ausbreitet, gleich dem Brechungsindex multipliziert mit der zurückgelegten Entfernung ist. Da der Brechungsindex am Dirac-Punkt null ist, hat das von verschiedenen Teilen des Halbleiters emittierte Licht exakt die gleiche Phase und ist somit optisch identisch. Walid Redjem, Co-Hauptautor der Studie und EECS-Postdoktorand, sagte: „Der Film in unserer Studie hat ungefähr 3,000 Löcher, aber theoretisch könnte er eine Million oder eine Milliarde Löcher haben und das Ergebnis wäre das gleiche."
Die Forscher verwenden nun einen gepulsten Hochenergielaser, um das BerkSEL-Gerät optisch zu pumpen und mit Strom zu versorgen, und messen die Emission von jeder Öffnung mit einem konfokalen Mikroskop, das für die Nahinfrarot-Spektroskopie optimiert ist. Durch die Anpassung von Designspezifikationen wie Aperturgröße und Halbleitermaterial können die Halbleiterlaser von "BerkSELs" bei verschiedenen Zielwellenlängen emittieren.
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