Berkeleys ingenjörer har skapat en ny typ av halvledarlaser som uppnår ett svårfångat mål inom optikområdet:förmågan att upprätthålla ett enda läge av emitterat ljus samtidigt som förmågan att skala upp i storlek och kraft bibehålls. Det är en prestation som innebär att storleken inte behöver komma på bekostnad av koherens, vilket gör det möjligt för lasrar att bli kraftfullare och täcka längre avstånd för många applikationer.

En forskargrupp ledd av Boubacar Kanté, Chenming Hu docent vid UC Berkeleys avdelning för elektroteknik och datavetenskap (EECS) och fakultetsforskare vid materialvetenskapsavdelningen vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), visade att ett halvledarmembran perforerades med jämnt fördelade och lika stora hål fungerade som en perfekt skalbar laserkavitet. De visade att lasern avger en konsekvent, enkel våglängd, oavsett storleken på kaviteten.

Forskarna beskrev sin uppfinning, kallad Berkeley Surface Emitting Lasers (BerkSELs), i en studie som publicerades onsdagen den 29 juni i tidskriften Nature .

"Att öka både storleken och kraften hos en singelmodslaser har varit en utmaning inom optiken sedan den första lasern byggdes 1960", sa Kanté. "Sex decennier senare visar vi att det är möjligt att uppnå båda dessa egenskaper i en laser. Jag anser att detta är det viktigaste dokumentet som min grupp har publicerat hittills."

Trots det stora utbudet av tillämpningar som inleddes av uppfinningen av lasern – från kirurgiska verktyg till streckkodsläsare till precisionsetsning – har det funnits en ihållande gräns som forskare inom optik har haft att kämpa med. Det koherenta riktade ljuset med en våglängd som är en definierande egenskap hos en laser börjar brytas ner när storleken på laserkaviteten ökar. Standardlösningen är att använda externa mekanismer, såsom en vågledare, för att förstärka strålen.

"Att använda ett annat medium för att förstärka laserljus tar upp mycket utrymme", sa Kanté. "Genom att eliminera behovet av extern förstärkning kan vi krympa storleken och öka effektiviteten hos datorchips och andra komponenter som är beroende av lasrar."

Studiens resultat är särskilt relevanta för vertikalkavitets ytemitterande lasrar, eller VCSELs, där laserljus emitteras vertikalt ut ur chipet. Sådana lasrar används i ett brett spektrum av applikationer, inklusive fiberoptisk kommunikation, datormöss, laserskrivare och biometriska identifieringssystem.

VCSEL:er är vanligtvis små och mäter några mikrometer breda. Den nuvarande strategin som används för att öka deras kraft är att samla hundratals individuella VCSEL:er. Eftersom lasrarna är oberoende skiljer sig deras fas och våglängd, så deras kraft kombineras inte konsekvent.

"Detta kan tolereras för applikationer som ansiktsigenkänning, men det är inte acceptabelt när precision är avgörande, som i kommunikationer eller för kirurgi", säger studiens huvudförfattare Rushin Contractor, en EECS Ph.D. student.

Kanté jämför den extra effektiviteten och kraften som möjliggörs av BerkSELs enkellägeslasning med en skara människor som får en buss som har stannat att röra sig. Multi-mode lasring är besläktad med människor som trycker i olika riktningar, sa han. Det skulle inte bara vara mindre effektivt, utan det skulle också kunna vara kontraproduktivt om människor trycker i motsatta riktningar. Single-mode lasing i BerkSELs är jämförbar med att varje person i folkmassan skjuter bussen i samma riktning. Detta är mycket mer effektivt än vad som görs i befintliga lasrar där bara en del av publiken bidrar till att skjuta bussen.

Studien fann att BerkSEL-designen möjliggjorde enkellägesljusemission på grund av fysiken hos ljuset som passerar genom hålen i membranet, ett 200 nanometer tjockt lager av indiumgalliumarsenidfosfid, en halvledare som vanligtvis används i fiberoptik och telekommunikationsteknik. Hålen, som etsades med litografi, måste ha en fast storlek, form och avstånd från varandra.

Forskarna förklarade att de periodiska hålen i membranet blev Dirac-punkter, en topologisk egenskap hos tvådimensionella material baserade på den linjära spridningen av energi. De är uppkallade efter den engelske fysikern och nobelpristagaren Paul Dirac, känd för sina tidiga bidrag till kvantmekanik och kvantelektrodynamik.

Forskarna påpekar att ljusets fas som utbreder sig från en punkt till en annan är lika med brytningsindex multiplicerat med tillryggalagd sträcka. Eftersom brytningsindexet är noll vid Dirac-punkten är ljus som emitteras från olika delar av halvledaren exakt i fas och därmed optiskt lika.

"Membranet i vår studie hade cirka 3 000 hål, men teoretiskt sett kunde det ha varit 1 miljon eller 1 miljard hål, och resultatet skulle ha blivit detsamma", säger studiens huvudförfattare, Walid Redjem, en EECS-postdoktor.

Forskarna använde en högenergipulsad laser för att optiskt pumpa och ge energi till BerkSEL-enheterna. De mätte emissionen från varje bländare med ett konfokalmikroskop optimerat för nära-infraröd spektroskopi.

Halvledarmaterialet och dimensionerna på strukturen som användes i denna studie valdes ut för att möjliggöra laserning vid telekommunikationsvåglängd. Författare noterade att BerkSELs kan sända ut olika målvåglängder genom att anpassa designspecifikationerna, såsom hålstorlek och halvledarmaterial.

Andra studieförfattare är Wanwoo Noh, medförfattare som tog sin doktorsexamen. examen i EECS i maj 2022; Wayesh Qarony, Scott Dhuey och Adam Schwartzberg från Berkeley Lab; och Emma Martin, en Ph.D. student i EECS. + Utforska vidare

Forskare uppfinner topologisk hålighets ytemitterande laser