Los ingenieros de Berkeley han creado un nuevo tipo de láser semiconductor que logra un objetivo difícil de alcanzar en el campo de la óptica:la capacidad de mantener un solo modo de luz emitida mientras mantiene 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 cubran distancias más largas para muchas aplicaciones.

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

Los investigadores describieron su invento, denominado Berkeley Surface Emitting Lasers (BerkSEL), en un estudio publicado el miércoles 29 de junio en la revista Nature. .

"Aumentar tanto el tamaño como la potencia de un láser monomodo ha sido un desafío en óptica desde que se construyó el primer láser en 1960", dijo Kanté. "Seis décadas después, demostramos que es posible lograr ambas cualidades en un láser. Considero que este es el artículo más importante que mi grupo ha publicado hasta la fecha".

A pesar de la amplia gama de aplicaciones introducidas por la invención del láser, desde herramientas quirúrgicas hasta escáneres de códigos de barras y grabado de precisión, ha habido un límite persistente con el que los investigadores en óptica han tenido que lidiar. La luz direccional coherente de longitud de onda única que es una característica definitoria de un láser comienza a descomponerse a medida que aumenta el tamaño de la cavidad del láser. La solución estándar es utilizar mecanismos externos, como una guía de ondas, para amplificar el haz.

"Usar 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, incluidas las comunicaciones por fibra óptica, los ratones de computadora, las impresoras láser y los sistemas de identificación biométrica.

Los VCSEL suelen ser pequeños y miden unas pocas micras de ancho. La estrategia actual utilizada para aumentar su poder es agrupar 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 no es aceptable cuando la precisión es crítica, como en las comunicaciones o para la cirugía", dijo el coautor principal del estudio, Rushin Contractor, un EECS Ph.D. estudiante.

Kanté compara la eficiencia y la potencia adicionales que ofrece el láser monomodo de BerkSEL con una multitud de personas que ponen en marcha un autobús parado. El láser multimodo es similar a personas empujando en diferentes direcciones, dijo. No solo sería menos efectivo, sino que también podría ser contraproducente si las personas presionan en direcciones opuestas. El láser monomodo en BerkSEL es comparable a cada persona en la multitud empujando el autobús en la misma dirección. Esto es mucho más eficiente que lo que se hace con los láseres existentes, donde solo una parte de la multitud 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 200 nanómetros de espesor de fosfuro de arseniuro de indio y galio, un semiconductor comúnmente utilizado en fibra óptica y tecnología de las telecomunicaciones Los agujeros, que se grabaron mediante litografía, tenían que tener un tamaño, una forma y una distancia fijos entre sí.

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 dispersión lineal de 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 se propaga 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.

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

Los investigadores utilizaron un láser pulsado de alta energía para bombear ópticamente y proporcionar energía a los dispositivos BerkSEL. Midieron la emisión de cada apertura usando un microscopio confocal optimizado para espectroscopía de infrarrojo cercano.

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

Otros autores del estudio son Wanwoo Noh, coautor principal que obtuvo su Ph.D. grado en EECS en mayo de 2022; Wayesh Qarony, Scott Dhuey y Adam Schwartzberg de Berkeley Lab; y Emma Martin, Ph.D. estudiante de EECS. + Explora más

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