Fig. 1. Confronto di TCSEL con i laser a semiconduttore monomodali commerciali tradizionali. Credito:Istituto di Fisica
I laser a semiconduttore sono i laser più utilizzati grazie alle loro dimensioni compatte, alta efficienza, basso costo e ampi spettri. Ma soffrono di bassa potenza di uscita e qualità del fascio anabbagliante, due specifiche difficili da migliorare contemporaneamente. Ad esempio, sebbene una cavità più grande aumenti la potenza, supporta più modalità al laser che riduce la qualità del raggio.
In precedenza, una cavità topologica a vortice di Dirac è stata dimostrata dal gruppo L01 presso l'Istituto di Fisica dell'Accademia Cinese delle Scienze (CAS) guidato dal Prof. Lu Ling. Offre la migliore selezione in modalità singola sull'area più ampia. Questo design della cavità è stato proposto per superare i colli di bottiglia sopra menzionati dei laser a semiconduttore e contemporaneamente migliora la potenza di uscita e la qualità del raggio.
Di recente, lo stesso team ha applicato la propria cavità topologica ai laser a emissione di superficie e ha inventato il laser a emissione di superficie a cavità topologica (TCSEL), le cui prestazioni possono superare di gran lunga quelle delle controparti commerciali.
Secondo il loro rapporto pubblicato su Nature Photonics , TCSEL è in grado di raggiungere una potenza di picco di 10 W, una divergenza del raggio di sub-grado, un rapporto di soppressione della modalità laterale di 60 dB e un array di lunghezze d'onda bidimensionali (2D), con un laser a 1.550 nm, la comunicazione più importante e la lunghezza d'onda sicura per gli occhi. Può funzionare anche a qualsiasi altra gamma di lunghezze d'onda ed è promettente per un'ampia varietà di applicazioni, tra cui LiDAR per il riconoscimento facciale, la guida autonoma e la realtà virtuale.
I ricercatori hanno confrontato TCSEL con i prodotti industriali standard dei laser a semiconduttore monomodali. Il laser a emissione di bordi a feedback distribuito (DFB) utilizzato nelle comunicazioni Internet e il laser a emissione di superficie a cavità verticale (VCSEL) che consente il riconoscimento facciale del telefono cellulare adottano entrambi la modalità mid-gap nei loro progetti di risonatori 1D ottimizzati. TCSEL continua questo percorso di successo realizzando la versione 2D della modalità topologica mid-gap più adatta per il processo planare su chip semiconduttori.
Fig. 2. Prestazioni e array di TCSEL. Credito:Istituto di Fisica
La modalità singola per grandi aree è una caratteristica unica di TCSEL, che migliora la (>10 W) e la divergenza del raggio (<1°). Al contrario, l'output di un DFB commerciale è generalmente dell'ordine di decine di mW e l'output di un singolo VCSEL è di pochi mW; il tipico angolo di divergenza dell'emissione superficiale è di 20° e il raggio dell'emettitore sul bordo è generalmente peggiore.
Secondo il microscopio ottico e le immagini al microscopio elettronico a scansione con un diametro di 500 μm, l'iconica struttura a vortice della cavità del vortice di Dirac può essere vista chiaramente. Il campo lontano di TCSEL è un raggio vettoriale con polarizzazioni radiali. È importante sottolineare che una divergenza così stretta (sub-1°) di TCSEL, senza obiettivi di collimazione, può ridurre le dimensioni, la complessità e i costi del sistema in sistemi come il rilevamento 3D.
Inoltre, la flessibilità della lunghezza d'onda è un'altra caratteristica unica di TCSEL, come la capacità di ottenere array 2D monolitici a più lunghezze d'onda. In confronto, VCSEL generalmente manca di sintonizzabilità della lunghezza d'onda poiché la cavità verticale, che determina la lunghezza d'onda del laser, è cresciuta per epitassia. Sebbene il laser DFB possa regolare la lunghezza d'onda, può ottenere solo un array 1D a più lunghezze d'onda per l'emissione del bordo.
Al contrario, la lunghezza d'onda di TCSEL può essere regolata arbitrariamente durante il processo di fabbricazione planare. In Fig. 2 (a destra), variando la costante del reticolo, la corrispondente lunghezza d'onda del laser varia linearmente da 1.512 nm a 1.616 nm. Ciascun laser nell'array 2D funziona in modo stabile in una modalità singola con un rapporto di soppressione della modalità laterale superiore a 50 dB. Gli array TCSEL 2D a lunghezza d'onda multipla possono potenzialmente migliorare la tecnologia di multiplexing a divisione di lunghezza d'onda per la trasmissione di segnali ad alta capacità e applicazioni di rilevamento multispettrale.
La fisica topologica è stata al centro della ricerca fondamentale sin dalla scoperta dell'effetto Hall quantistico e ha ricevuto tre premi Nobel per la fisica (1985, 1998, 2016). Sebbene la robustezza topologica possa migliorare significativamente la stabilità e le specifiche del dispositivo, l'applicazione della fisica topologica rimane elusiva. TCSEL potrebbe fare la differenza. + Esplora ulteriormente
