Los láseres de semiconductores son los láseres más utilizados debido a su tamaño compacto, alta eficiencia, bajo costo y amplio espectro. Pero sufren de baja potencia de salida y baja calidad del haz, dos especificaciones difíciles de mejorar simultáneamente. Por ejemplo, aunque una cavidad más grande aumenta la potencia, admite más modos de láser, lo que reduce la calidad del haz.

Anteriormente, el grupo L01 del Instituto de Física de la Academia de Ciencias de China (CAS), dirigido por el profesor Lu Ling, demostró una cavidad topológica de vórtice de Dirac. Ofrece la mejor selección de modo único en el área más grande. Este diseño de cavidad se propuso para superar los cuellos de botella mencionados anteriormente de los láseres semiconductores y, al mismo tiempo, mejora la potencia de salida y la calidad del haz.

Recientemente, el mismo equipo aplicó su cavidad topológica a los láseres emisores de superficie e inventó el láser emisor de superficie de cavidad topológica (TCSEL), cuyo rendimiento puede superar con creces el de sus homólogos comerciales.

Según su informe publicado en Nature Photonics , TCSEL es capaz de una potencia máxima de 10 W, una divergencia de haz de subgrados, una relación de supresión de modo lateral de 60 dB y una matriz bidimensional (2D) de longitud de onda múltiple, con un láser de 1550 nm, la longitud de onda de comunicación más importante y segura para los ojos. También puede operar en cualquier otro rango de longitud de onda y es prometedor para una gran variedad de aplicaciones, incluido LiDAR para reconocimiento facial, conducción autónoma y realidad virtual.

Los investigadores compararon TCSEL con los productos industriales estándar de láseres semiconductores monomodo. El láser de emisión de borde de retroalimentación distribuida (DFB) que se utiliza en la comunicación por Internet, así como el láser de emisión de superficie de cavidad vertical (VCSEL) que permite el reconocimiento facial de teléfonos móviles, adoptan el modo mid-gap en sus diseños optimizados de resonador 1D. TCSEL continúa este camino exitoso al realizar la versión 2D del modo topológico mid-gap que es más adecuado para el proceso planar en chips semiconductores.

El modo único de área grande es una característica única de TCSEL, que mejora (>10 W) y la divergencia del haz (<1°). Por el contrario, la salida de DFB comercial es generalmente del orden de decenas de mW y la salida de un solo VCSEL es de unos pocos mW; el ángulo de divergencia típico de la emisión superficial es de 20° y el haz del emisor de borde es generalmente peor.

De acuerdo con el microscopio óptico y las imágenes de microscopía electrónica de barrido con un diámetro de 500 μm, la estructura de vórtice icónica de la cavidad de vórtice de Dirac se puede ver claramente. El campo lejano de TCSEL es un haz vectorial con polarizaciones radiales. Es importante destacar que una divergencia tan estrecha (sub-1°) de TCSEL, sin lentes de colimación, puede reducir el tamaño, la complejidad y el costo del sistema en sistemas como la detección 3D.

Además, la flexibilidad de la longitud de onda es otra característica única de TCSEL, como la capacidad de lograr conjuntos monolíticos 2D de longitud de onda múltiple. En comparación, VCSEL generalmente carece de capacidad de sintonización de longitud de onda ya que la cavidad vertical, que determina la longitud de onda del láser, crece por epitaxia. Aunque el láser DFB puede ajustar la longitud de onda, solo puede lograr una matriz de longitud de onda múltiple 1D para la emisión de borde.

Por el contrario, la longitud de onda de TCSEL se puede ajustar arbitrariamente durante el proceso de fabricación plana. En la Fig. 2 (derecha), al cambiar la constante de red, la longitud de onda del láser correspondiente varía linealmente de 1512 nm a 1616 nm. Cada láser en la matriz 2D funciona de manera estable en un solo modo con una relación de supresión de modo lateral superior a 50 dB. Las matrices TCSEL de longitud de onda múltiple 2D pueden mejorar potencialmente la tecnología de multiplexación por división de longitud de onda para la transmisión de señales de alta capacidad y aplicaciones de detección multiespectral.

Topological physics has been the focus of fundamental research since the discovery of the quantum Hall effect and was awarded three Nobel physics prizes (1985, 1998, 2016). Although topological robustness could significantly improve the device stability and specifications, the application of topological physics remains elusive. TCSEL could make a difference. + Explora más

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