Лазеру не завжди потрібний ідеально повторюваний візерунок, щоб формувати чистий промінь. Дослідники з Університету Іллінойсу в Урбана-Шампейн продемонстрували напівпровідниковий лазер, який свідомо відходить від цієї традиції: замість регулярної структури фотонного кристалу у поверхнево-випромінюючому лазері (PCSEL) вони використали квазіперіодичний візерунок. Як повідомляє Interesting Engineering, пристрій забезпечив одномодовий режим генерації при кімнатній температурі на довжині хвилі 1,5 мікрометра, довівши, що нерегулярні структури можна вбудовувати в лазер, не втрачаючи точного контролю над світлом.
У своїй роботі автори описують фотонакачуваний лазер на основі заглибленого діелектричного квазіперіодичного фотонного кристалу (QPCSEL), який працює при кімнатній температурі з випромінюванням на 1,5 мкм. Такий підхід, за їхніми словами, може надати інженерам значно більше свободи в проєктуванні лазерів для застосувань у сенсориці, зв’язку, аерокосмічній галузі та обороні.
Як працюють PCSEL-лазери і в чому їхні обмеження
PCSEL (photonic-crystal surface-emitting laser) використовує фотонний кристал — ретельно спроєктований візерунок у напівпровіднику, який керує поширенням світла. На відміну від звичайних лазерів, така оптична структура розподіляє взаємодію світла з матеріалом на велику площу і виводить частину випромінювання через поверхню.
Це дає змогу отримати вузький, добре керований промінь і одномодове випромінювання — важливі властивості там, де потрібно доставити світло дуже точно, без конкуренції багатьох оптичних мод. За останні два десятиліття PCSEL-лазери привернули увагу для передових застосувань у напівпровідникових лазерах, зокрема в аерокосмічних і оборонних системах.
Втім, геометрія таких структур водночас є й обмеженням. Класичні PCSEL зазвичай спираються на строго періодичні візерунки, а зміна форми чи відстані між елементами ускладнює виготовлення. Дуже дрібні структури можуть спотворюватися під час повторного нарощування напівпровідникового шару, що заважає точно відтворити задуману геометрію.
Щоб обійти цю проблему, команда з Іллінойсу раніше розробила платформу з «заглибленим» діелектриком. Замість того, щоб травити отвори безпосередньо в напівпровіднику, дослідники формували візерунок у шарі діоксиду кремнію, а потім покривали його епітаксійним напівпровідником. У результаті діелектричні елементи опинялися всередині пристрою, що допомагало зберегти їхню форму під час технологічних процесів.
Від періодичного до квазіперіодичного візерунка
У новому дослідженні автори вирішили піти далі й перевірити, чи можна сам фотонний кристал зробити неперіодичним. Надихнувшись топологічно захищеними, нерегулярними візерунками, вони створили квазіперіодичну структуру — коли елементи розташовані не через строго однакові проміжки, а змінюються за контрольованим правилом.
Для формування квазіфотонного кристалу команда використала крихітні діелектричні елементи з низьким показником заломлення (діоксид кремнію), оточені напівпровідниковим матеріалом з високим показником заломлення. Оскільки цей візерунок діелектрика вбудований усередину, а не залишається відкритим, процес повторного нарощування напівпровідника може зберегти складнішу геометрію.
Отриманий пристрій працював у режимі фотонакачки: енергію для лазерної генерації забезпечувало зовнішнє джерело світла. При кімнатній температурі лазер випромінював на довжині хвилі 1,5 мікрометра і демонстрував одномодовий режим роботи. Це важливо, адже показує, що квазіперіодичний фотонний кристал здатен забезпечити кероване лазерне випромінювання, яке раніше асоціювали переважно з жорстко періодичними структурами.
Одна з авторок роботи, аспірантка Ерін Рафтері (Erin Raftery), підкреслює, що команда продемонструвала можливість використовувати неперіодичний візерунок і гнучкіше його налаштовувати — це інший спосіб інженерії просторових змін показника заломлення, щоб отримати потрібні властивості лазера.
Платформа для гнучкіших лазерів
Нинішній пристрій поки що є радше демонстрацією принципу, а не готовим продуктом. Його характеристики ще не доводять, що він перевершує звичайні PCSEL за всіма параметрами. Крім того, лазер працює з фотонакачкою, а не з електричним інжектуванням носіїв, тож це ще не практичний діодний лазер.
Попри це, підхід із заглибленим діелектриком може дозволити формувати різні візерунки фотонних кристалів на одному й тому самому підкладці. Це дає інженерам більше свободи оптимізувати лазери під різні задачі. Така гнучкість може бути корисною для технологій на кшталт кремнієвої фотоніки, лідарів та інших компактних оптичних систем.
Один із співавторів, професор інженерії Кент Чокетт (Kent Choquette), зазначає, що нині зазвичай можна виростити лише один тип структури за раз, тоді як нова платформа дає змогу «змішувати й поєднувати» різні візерунки на одному кристалі, що потенційно відкриває шлях до надійніших і продуктивніших лазерів.
Наступна мета команди — створити електрично інжектований пристрій, який наблизить технологію до реального застосування. Дослідники наголошують, що фізичний принцип уже продемонстровано, тепер потрібно показати повноцінний практичний лазер. Робота опублікована в журналі Applied Physics Letters.