Fig. 1. Jämförelse av TCSEL med vanliga kommersiella singelmodshalvledarlasrar. Kredit:Institute of Physics
Halvledarlasrar är de mest använda lasrarna på grund av deras kompakta storlek, höga effektivitet, låga kostnad och breda spektrum. Men de lider av låg uteffekt och lågljuskvalitet – två specifikationer som är svåra att förbättra samtidigt. Till exempel, även om en större kavitet ökar effekten, stöder den fler lägen att lasera vilket minskar strålkvaliteten.
Tidigare har en Dirac-virvel topologisk hålighet demonstrerats av L01-gruppen vid Institutet för fysik vid den kinesiska vetenskapsakademin (CAS) ledd av professor Lu Ling. Den erbjuder det bästa valet av singelläge över det största området. Denna kavitetsdesign föreslogs för att övervinna de ovan nämnda flaskhalsarna hos halvledarlasrar och samtidigt förbättra uteffekten och strålkvaliteten.
Nyligen använde samma team sin topologiska kavitet på ytemitterande lasrar och uppfann den topologiska kavitets ytemitterande laser (TCSEL), vars prestanda vida kan överträffa de kommersiella motsvarigheterna.
Enligt deras rapport publicerad i Nature Photonics , TCSEL är kapabel till 10 W toppeffekt, sub-graders stråldivergens, 60 dB sidolägesundertryckningsförhållande och tvådimensionell (2D) multivåglängdsuppsättning, som lasrar vid 1 550 nm – den viktigaste kommunikations- och ögonsäkra våglängden. Den kan också fungera i alla andra våglängdsintervall och är lovande för en mängd olika applikationer, inklusive LiDAR för ansiktsigenkänning, självkörning och virtuell verklighet.
Forskarna jämförde TCSEL med de vanliga industriella produkterna av singelmode halvledarlasrar. Den distribuerade feedback (DFB) kant-emitterande lasern som används i internetkommunikation såväl som den vertikala kavitets ytemitterande lasern (VCSEL) som möjliggör ansiktsigenkänning för mobiltelefoner använder båda mid-gap-läget i sina optimerade 1D-resonatordesigner. TCSEL fortsätter denna framgångsrika väg genom att realisera 2D-versionen av topologiskt mellangap-läge som är mer lämpat för den plana processen på halvledarchips.
Fig. 2. TCSEL-prestanda och array. Kredit:Institute of Physics
Enkelläge för stor area är en unik egenskap hos TCSEL, som förbättrar (>10 W) och stråldivergensen (<1°). Däremot är uteffekten från kommersiell DFB i allmänhet i storleksordningen tiotals mW och uteffekten från en enda VCSEL är några få mW; den typiska divergensvinkeln för ytemission är 20° och strålen från kantsändaren är i allmänhet sämre.
Enligt det optiska mikroskopet och svepelektronmikroskopbilderna med en diameter på 500 μm kan den ikoniska virvelstrukturen från Dirac-virvelhålan ses tydligt. Fjärrfältet för TCSEL är en vektorstråle med radiella polarisationer. Viktigt är att en sådan snäv divergens (under-1°) av TCSEL, utan kollimerande linser, kan minska systemets storlek, komplexitet och kostnad i system som 3D-avkänning.
Dessutom är våglängdsflexibilitet en annan unik egenskap hos TCSEL, såsom förmågan att uppnå monolitiska 2D multi-våglängdsmatriser. Som jämförelse saknar VCSEL i allmänhet våglängdsavstämning eftersom den vertikala kaviteten, som bestämmer den lasrande våglängden, är epitaxi-odlad. Även om DFB-laser kan justera våglängden, kan den bara uppnå 1D multi-våglängdsuppsättning för kantemission.
Däremot kan våglängden för TCSEL justeras godtyckligt under den plana tillverkningsprocessen. I fig. 2 (höger), genom att ändra gitterkonstanten, varierar motsvarande laservåglängd linjärt från 1 512 nm till 1 616 nm. Varje laser i 2D-matrisen fungerar stabilt i ett enda läge med ett sidolägesundertryckningsförhållande som är större än 50dB. 2D multi-våglängds TCSEL-matriser kan potentiellt förbättra våglängdsmultiplexeringstekniken för högkapacitetssignalöverföring och multispektrala avkänningsapplikationer.
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. + Utforska vidare
