Gli ingegneri di Berkeley hanno creato un nuovo tipo di laser a semiconduttore che raggiunge un obiettivo sfuggente nel campo dell'ottica:la capacità di mantenere un'unica modalità di luce emessa pur mantenendo la capacità di aumentare le dimensioni e la potenza. È un risultato che significa che le dimensioni non devono andare a scapito della coerenza, consentendo ai laser di essere più potenti e di coprire distanze maggiori per molte applicazioni.

Un gruppo di ricerca guidato da Boubacar Kanté, professore associato di Chenming Hu presso il Dipartimento di ingegneria elettrica e informatica (EECS) della UC Berkeley e scienziato della facoltà presso la divisione di scienze dei materiali del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), ha dimostrato che una membrana semiconduttrice perforata con fori equidistanti e della stessa dimensione funzionava come una perfetta cavità laser scalabile. Hanno dimostrato che il laser emette una singola lunghezza d'onda coerente, indipendentemente dalle dimensioni della cavità.

I ricercatori hanno descritto la loro invenzione, soprannominata Berkeley Surface Emitting Lasers (BerkSELs), in uno studio pubblicato mercoledì 29 giugno sulla rivista Nature .

"L'aumento delle dimensioni e della potenza di un laser monomodale è stata una sfida nel campo dell'ottica sin dalla costruzione del primo laser nel 1960", ha affermato Kanté. "Sei decenni dopo, dimostriamo che è possibile ottenere entrambe queste qualità in un laser. Considero questo il documento più importante che il mio gruppo abbia pubblicato fino ad oggi."

Nonostante la vasta gamma di applicazioni introdotte dall'invenzione del laser, dagli strumenti chirurgici agli scanner di codici a barre all'incisione di precisione, c'è stato un limite persistente con cui i ricercatori di ottica hanno dovuto fare i conti. La luce direzionale coerente a lunghezza d'onda singola che è una caratteristica distintiva di un laser inizia a rompersi all'aumentare delle dimensioni della cavità laser. La soluzione standard consiste nell'utilizzare meccanismi esterni, come una guida d'onda, per amplificare il raggio.

"L'uso di un altro mezzo per amplificare la luce laser occupa molto spazio", ha affermato Kanté. "Eliminando la necessità di amplificazione esterna, possiamo ridurre le dimensioni e aumentare l'efficienza dei chip dei computer e di altri componenti che si basano sui laser."

I risultati dello studio sono particolarmente rilevanti per i laser a emissione di superficie a cavità verticale, o VCSEL, in cui la luce laser viene emessa verticalmente dal chip. Tali laser sono utilizzati in un'ampia gamma di applicazioni, tra cui comunicazioni in fibra ottica, mouse per computer, stampanti laser e sistemi di identificazione biometrica.

I VCSEL sono in genere minuscoli e misurano pochi micron di larghezza. L'attuale strategia utilizzata per aumentare la loro potenza è raggruppare insieme centinaia di singoli VCSEL. Poiché i laser sono indipendenti, la loro fase e lunghezza d'onda differiscono, quindi la loro potenza non si combina in modo coerente.

"Questo può essere tollerato per applicazioni come il riconoscimento facciale, ma non è accettabile quando la precisione è fondamentale, come nelle comunicazioni o per la chirurgia", ha affermato il co-autore dello studio Rushin Contractor, un dottorato di ricerca EECS. studente.

Kanté confronta l'efficienza e la potenza extra rese possibili dal laser monomodale di BerkSEL a una folla di persone che si sposta su un autobus fermo. Il laser multimodale è simile alle persone che spingono in direzioni diverse, ha detto. Non solo sarebbe meno efficace, ma potrebbe anche essere controproducente se le persone spingessero in direzioni opposte. Il laser a modalità singola nei BerkSEL è paragonabile a ogni persona nella folla che spinge l'autobus nella stessa direzione. Questo è molto più efficiente di quello che viene fatto con i laser esistenti in cui solo una parte della folla contribuisce a spingere l'autobus.

Lo studio ha scoperto che il progetto BerkSEL ha consentito l'emissione di luce monomodale a causa della fisica della luce che passa attraverso i fori della membrana, uno strato spesso 200 nanometri di fosfuro di arseniuro di gallio indio, un semiconduttore comunemente usato nelle fibre ottiche e tecnologia delle telecomunicazioni. I fori, incisi con la litografia, dovevano essere di dimensioni, forma e distanza fisse.

I ricercatori hanno spiegato che i fori periodici nella membrana sono diventati punti di Dirac, una caratteristica topologica dei materiali bidimensionali basata sulla dispersione lineare dell'energia. Prendono il nome dal fisico inglese e premio Nobel Paul Dirac, noto per i suoi primi contributi alla meccanica quantistica e all'elettrodinamica quantistica.

I ricercatori sottolineano che la fase della luce che si propaga da un punto all'altro è uguale all'indice di rifrazione moltiplicato per la distanza percorsa. Poiché l'indice di rifrazione è zero nel punto di Dirac, la luce emessa da diverse parti del semiconduttore è esattamente in fase e quindi otticamente la stessa.

"La membrana nel nostro studio aveva circa 3000 fori, ma in teoria avrebbe potuto essere 1 milione o 1 miliardo di fori e il risultato sarebbe stato lo stesso", ha affermato il co-autore principale dello studio, Walid Redjem, un ricercatore post-dottorato dell'EECS.

I ricercatori hanno utilizzato un laser pulsato ad alta energia per pompare otticamente e fornire energia ai dispositivi BerkSEL. Hanno misurato l'emissione da ciascuna apertura utilizzando un microscopio confocale ottimizzato per la spettroscopia nel vicino infrarosso.

Il materiale semiconduttore e le dimensioni della struttura utilizzata in questo studio sono stati selezionati per consentire il laser alla lunghezza d'onda delle telecomunicazioni. Gli autori hanno notato che i BerkSEL possono emettere diverse lunghezze d'onda target adattando le specifiche di progettazione, come la dimensione del foro e il materiale del semiconduttore.

Altri autori dello studio sono Wanwoo Noh, co-autore principale che ha conseguito il dottorato di ricerca. laurea in EECS maggio 2022; Wayesh Qarony, Scott Dhuey e Adam Schwartzberg del Berkeley Lab; ed Emma Martin, un dottorato di ricerca. studente in EECS. + Esplora ulteriormente

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