Création d'un nouveau laser à semi-conducteur monomode : mise à l'échelle simultanée de la puissance et de la taille élevée
Des chercheurs de l'Université de Californie à Berkeley (UC Berkeley) ont récemment développé un nouveau type de laser à semi-conducteur appelé BerkSEL. Les résultats ont été publiés dans la revue Nature le 29 juin.
Schéma du laser à émission de surface Berkley (BerkSEL), avec le faisceau de pompe en bleu et le faisceau laser en rouge.
Augmenter simultanément la taille et la puissance des lasers monomodes est un défi en optique depuis la construction du premier laser en 1960. Et ce travail montre que la taille ne doit pas se faire au détriment de la cohérence, ce qui permet aux lasers d'être plus puissants. et stable et couvrir de plus longues distances dans de nombreuses applications.
Une équipe de chercheurs dirigée par Boubacar Kanté, professeur associé au Département de génie électrique et d'informatique (EECS) de l'Université de Californie à Berkeley, et des scientifiques de la Division des sciences des matériaux du Lawrence Berkeley National Laboratory ont démontré un film semi-conducteur avec uniformément des perforations espacées et de taille identique pouvant agir comme une cavité laser évolutive. Les résultats montrent que le faisceau laser émet une seule longueur d'onde constante quelle que soit la taille de cette cavité laser.
Dans les lasers conventionnels, la lumière directionnelle cohérente à longueur d'onde unique commence à se briser à mesure que la cavité laser augmente en taille. La solution standard consiste à utiliser un mécanisme externe comme un guide d'ondes pour amplifier le faisceau, cependant, cela prend beaucoup de place. En éliminant le besoin d'amplification externe, les chercheurs peuvent désormais réduire la taille et augmenter l'efficacité des puces informatiques et d'autres composants dépendant du laser.
Ce travail est particulièrement pertinent pour la technologie des lasers à émission par la surface à cavité verticale (VCSEL). Dans VCSELS, la lumière est émise verticalement depuis la surface supérieure de la puce. les VCSEL ne mesurent généralement que quelques microns de large, et la stratégie actuelle utilisée pour améliorer leur puissance consiste à regrouper des centaines de VCSEL individuels. Parce que les lasers sont indépendants, ils ont des phases et des longueurs d'onde différentes, de sorte que leurs puissances ne se combinent pas de manière cohérente - ce qui est acceptable dans des applications telles que la reconnaissance faciale, mais totalement irréalisable dans des applications où la précision est critique, telles que les communications ou la chirurgie.
La conception laser "BerkSEL" développée à l'UC Berkeley permet une émission de lumière monomode plus efficace, basée principalement sur les propriétés physiques de la lumière traversant des trous dans des couches minces. Le film qu'ils ont développé est un phosphure d'arséniure d'indium et de gallium de 200- nm d'épaisseur (un semi-conducteur couramment utilisé dans les technologies de la fibre optique et des télécommunications). Les chercheurs notent que ces trous réguliers sont gravés par photolithographie et doivent avoir une taille, une forme et une distance fixes - ils sont capables d'agir comme des points de Dirac, une caractéristique topologique des matériaux bidimensionnels basée sur la dispersion linéaire de l'énergie.
De plus, puisque la phase de la lumière se propageant d'un point à un autre est égale à l'indice de réfraction multiplié par la distance parcourue. Puisque l'indice de réfraction est nul au point de Dirac, la lumière émise par différentes parties du semi-conducteur est exactement dans la même phase et est donc optiquement identique. Walid Redjem, co-auteur principal de l'étude et boursier postdoctoral EECS, a déclaré : "Le film de notre étude a environ 3 000 trous, mais théoriquement, il pourrait avoir un million ou un milliard de trous et le résultat serait la même."
Les chercheurs utilisent maintenant un laser pulsé à haute énergie pour pomper et alimenter optiquement le dispositif BerkSEL et mesurer l'émission de chaque ouverture à l'aide d'un microscope confocal optimisé pour la spectroscopie proche infrarouge. En ajustant les spécifications de conception telles que la taille de l'ouverture et le matériau semi-conducteur, les lasers à semi-conducteurs "BerkSELs" peuvent émettre à différentes longueurs d'onde cibles.
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