El nuevo láser semiconductor monomodo ofrece rendimiento con escalabilidad

(Noticias de Nanowerk) Los ingenieros de Berkeley han desarrollado una nueva generación de láseres semiconductores que logran un objetivo difícil de alcanzar en el campo de la óptica: la capacidad de mantener un solo modo de luz emitida al tiempo que conservan la capacidad de escalar en tamaño y potencia. Es un logro que significa que el tamaño no tiene por qué ser a expensas de la coherencia, lo que permite que los láseres sean más potentes y viajen distancias más largas para muchas aplicaciones.

Un equipo de investigación dirigido por Boubacar Kanté, profesor asociado de Chenming Hu en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS) en UC Berkeley y científico de la facultad en la División de Ciencias de los Materiales en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), mostró que una membrana semiconductora perforates es con agujeros uniformemente espaciados y de igual tamaño actuado como una cavidad láser perfectamente escalable. Demostraron que el láser emite una única longitud de onda constante independientemente del tamaño de la cavidad.

Los investigadores describieron su invento, llamado Berkeley Surface Emitting Lasers (BerkSEL), en un estudio publicado en la revista Naturaleza («Láser emisor de superficie monomodo escalable sobre singularidades abiertas de Dirac»). Esquema del láser emisor de superficie de Berkeley (BerkSEL) que muestra el haz de bombeo (azul) y el haz de láser (rojo). El diseño poco convencional de la membrana semiconductora sincroniza todas las celdas unitarias (o resonadores) en fase para que todos participen en el modo láser. (Imagen: Grupo Boubacar Kanté)

«Desde que se construyó el primer láser en 1960, aumentar tanto el tamaño como la potencia de un láser monomodo ha sido un desafío para la óptica», dijo Kanté. «Seis décadas después, demostramos que es posible lograr ambas propiedades en un solo láser. Considero que este es el artículo más importante que mi grupo ha publicado hasta la fecha”.

A pesar de la multitud de aplicaciones introducidas por la invención del láser, desde herramientas quirúrgicas hasta escáneres de códigos de barras y grabado de precisión, había una frontera permanente con la que los investigadores en el campo de la óptica tenían que lidiar. La luz direccional coherente de una sola longitud de onda que es una característica de un láser comienza a descomponerse a medida que la cavidad del láser crece en tamaño. La solución estándar es usar mecanismos externos como una guía de ondas para amplificar el haz.

«Usar cualquier otro medio para amplificar la luz láser ocupa mucho espacio», dijo Kanté. «Al eliminar la necesidad de amplificación externa, podemos reducir el tamaño y aumentar la eficiencia de los chips de computadora y otros componentes que dependen de los láseres».

Los resultados del estudio son particularmente relevantes para los láseres emisores de superficie de cavidad vertical, o VCSEL, en los que la luz láser se emite verticalmente desde el chip. Dichos láseres se utilizan en una amplia gama de aplicaciones que incluyen comunicaciones de fibra óptica, ratones de computadora, impresoras láser y sistemas de identificación biométrica.

Los VCSEL suelen ser pequeños y miden solo unas pocas micras de ancho. La estrategia actual para aumentar su rendimiento es agregar cientos de VCSEL individuales. Debido a que los láseres son independientes, su fase y longitud de onda difieren, por lo que su potencia no se combina de manera coherente.

«Esto se puede tolerar para aplicaciones como el reconocimiento facial, pero es inaceptable cuando la precisión es importante, como en las comunicaciones o las operaciones», dijo el coautor principal del estudio, Rushin Contractor, estudiante de doctorado de EECS. Alumnos. Representación esquemática de los conos de Dirac. Debido a la singularidad del punto de Dirac, la luz se emite sincrónicamente desde toda la cavidad del semiconductor. (Imagen: Grupo Boubacar Kanté)

Kanté compara la eficiencia y el rendimiento adicionales que permiten los láseres monomodo de BerkSEL con una multitud que ayuda a mover un autobús atascado. Los láseres multimodo son como personas empujando en diferentes direcciones, dijo. No solo sería menos efectivo, sino que también podría ser contraproducente cuando las personas empujan en direcciones opuestas. Los láseres monomodo en los BerkSEL son como tener a cada persona en la multitud empujando el autobús en la misma dirección. Esto es mucho más eficiente que los láseres existentes, donde solo una parte de la cantidad contribuye a empujar el autobús.

El estudio encontró que el diseño de BerkSEL permitió la emisión de luz monomodo debido a la física de la luz que pasa a través de los agujeros en la membrana, una capa de fosfuro de arseniuro de indio y galio de 200 nanómetros de espesor, un semiconductor de uso común en fibra óptica, la tecnología de telecomunicaciones pasa mediante. Los agujeros, grabados con litografía, tenían que tener un tamaño, una forma y un espacio fijos.

Los investigadores explicaron que los agujeros periódicos en la membrana se convirtieron en puntos de Dirac, una característica topológica de los materiales bidimensionales basada en la distribución lineal de la energía. Llevan el nombre del físico inglés y premio Nobel Paul Dirac, conocido por sus primeras contribuciones a la mecánica cuántica y la electrodinámica cuántica.

Los investigadores señalan que la fase de la luz que viaja de un punto a otro es igual al índice de refracción multiplicado por la distancia recorrida. Debido a que el índice de refracción es cero en el punto de Dirac, la luz emitida desde diferentes partes del semiconductor está exactamente en fase y, por lo tanto, es ópticamente igual. Vista superior de una micrografía electrónica de barrido del láser emisor de superficie de Berkeley (BerkSEL). El cristal fotónico de celosía hexagonal (PhC) forma una cavidad electromagnética. (Imagen: Grupo Boubacar Kanté)

«La membrana en nuestro estudio tenía alrededor de 3000 agujeros, pero teóricamente podría haber sido 1 millón o 1 billón de agujeros y el resultado habría sido el mismo», dijo el coautor principal del estudio, Walid Redjem, investigador postdoctoral de EECS.

Los investigadores utilizaron un láser pulsado de alta energía para bombear y alimentar ópticamente los dispositivos BerkSEL. Midieron la emisión de cada apertura utilizando un microscopio confocal optimizado para espectroscopia de infrarrojo cercano.

El material semiconductor y las dimensiones de la estructura utilizados en este estudio se eligieron para permitir la emisión de láser en la longitud de onda de las telecomunicaciones. Los autores descubrieron que los BerkSEL pueden emitir diferentes longitudes de onda objetivo ajustando las especificaciones de diseño, como el tamaño del orificio y el material semiconductor.