Les ingénieurs de Berkeley ont créé un nouveau type de laser à semi-conducteur qui atteint un objectif insaisissable dans le domaine de l'optique :la capacité de maintenir un seul mode de lumière émise tout en conservant la possibilité d'augmenter la taille et la puissance. C'est une réalisation qui signifie que la taille ne doit pas se faire au détriment de la cohérence, permettant aux lasers d'être plus puissants et de couvrir de plus longues distances pour de nombreuses applications.

Une équipe de recherche dirigée par Boubacar Kanté, professeur associé Chenming Hu au département de génie électrique et d'informatique (EECS) de l'UC Berkeley et chercheur à la division des sciences des matériaux du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), a montré qu'une membrane semi-conductrice perforée avec des trous régulièrement espacés et de même taille fonctionnaient comme une cavité laser évolutive parfaite. Ils ont démontré que le laser émet une longueur d'onde unique et constante, quelle que soit la taille de la cavité.

Les chercheurs ont décrit leur invention, baptisée Berkeley Surface Emitting Lasers (BerkSELs), dans une étude publiée le mercredi 29 juin dans la revue Nature .

"Augmenter à la fois la taille et la puissance d'un laser monomode a été un défi en optique depuis la construction du premier laser en 1960", a déclaré Kanté. "Six décennies plus tard, nous montrons qu'il est possible d'obtenir ces deux qualités dans un laser. Je considère qu'il s'agit de l'article le plus important que mon groupe ait publié à ce jour."

Malgré la vaste gamme d'applications introduites par l'invention du laser - des outils chirurgicaux aux lecteurs de codes-barres en passant par la gravure de précision - il y a eu une limite persistante à laquelle les chercheurs en optique ont dû faire face. La lumière directionnelle cohérente à longueur d'onde unique qui est une caractéristique déterminante d'un laser commence à se décomposer à mesure que la taille de la cavité laser augmente. La solution de contournement standard consiste à utiliser des mécanismes externes, tels qu'un guide d'ondes, pour amplifier le faisceau.

"L'utilisation d'un autre médium pour amplifier la lumière laser prend beaucoup de place", a déclaré Kanté. "En éliminant le besoin d'amplification externe, nous pouvons réduire la taille et augmenter l'efficacité des puces informatiques et d'autres composants qui reposent sur des lasers."

Les résultats de l'étude sont particulièrement pertinents pour les lasers à émission de surface à cavité verticale, ou VCSEL, dans lesquels la lumière laser est émise verticalement hors de la puce. Ces lasers sont utilisés dans un large éventail d'applications, notamment les communications par fibre optique, les souris d'ordinateur, les imprimantes laser et les systèmes d'identification biométrique.

Les VCSEL sont généralement minuscules, mesurant quelques microns de large. La stratégie actuelle utilisée pour augmenter leur puissance consiste à regrouper des centaines de VCSEL individuels. Parce que les lasers sont indépendants, leur phase et leur longueur d'onde diffèrent, de sorte que leur puissance ne se combine pas de manière cohérente.

"Cela peut être toléré pour des applications telles que la reconnaissance faciale, mais ce n'est pas acceptable lorsque la précision est essentielle, comme dans les communications ou pour la chirurgie", a déclaré le co-auteur principal de l'étude, Rushin Contractor, titulaire d'un doctorat EECS. étudiant.

Kanté compare l'efficacité et la puissance supplémentaires permises par le laser monomode de BerkSEL à une foule de personnes faisant bouger un bus en panne. Le laser multimode s'apparente à des personnes poussant dans des directions différentes, a-t-il déclaré. Ce serait non seulement moins efficace, mais cela pourrait aussi être contre-productif si les gens poussent dans des directions opposées. Le laser monomode dans les BerkSEL est comparable à chaque personne dans la foule poussant le bus dans la même direction. C'est beaucoup plus efficace que ce qui se fait dans les lasers existants où seule une partie de la foule contribue à pousser le bus.

L'étude a révélé que la conception BerkSEL permettait l'émission de lumière monomode en raison de la physique de la lumière traversant les trous de la membrane, une couche de 200 nanomètres d'épaisseur de phosphure d'arséniure de gallium d'indium, un semi-conducteur couramment utilisé dans les fibres optiques et technologie des télécommunications. Les trous, gravés par lithographie, devaient avoir une taille, une forme et une distance fixes.

Les chercheurs ont expliqué que les trous périodiques dans la membrane sont devenus des points de Dirac, une caractéristique topologique des matériaux bidimensionnels basée sur la dispersion linéaire de l'énergie. Ils portent le nom du physicien anglais et lauréat du prix Nobel Paul Dirac, connu pour ses premières contributions à la mécanique quantique et à l'électrodynamique quantique.

Les chercheurs précisent que la phase de la lumière qui se propage d'un point à l'autre est égale à l'indice de réfraction multiplié par la distance parcourue. Comme l'indice de réfraction est nul au point de Dirac, la lumière émise par différentes parties du semi-conducteur est exactement en phase et donc optiquement identique.

"La membrane de notre étude avait environ 3000 trous, mais théoriquement, il aurait pu y avoir 1 million ou 1 milliard de trous, et le résultat aurait été le même", a déclaré le co-auteur principal de l'étude, Walid Redjem, chercheur postdoctoral à l'EECS.

Les chercheurs ont utilisé un laser pulsé à haute énergie pour pomper optiquement et fournir de l'énergie aux dispositifs BerkSEL. Ils ont mesuré l'émission de chaque ouverture à l'aide d'un microscope confocal optimisé pour la spectroscopie proche infrarouge.

Le matériau semi-conducteur et les dimensions de la structure utilisée dans cette étude ont été sélectionnés pour permettre un effet laser à la longueur d'onde des télécommunications. Les auteurs ont noté que les BerkSEL peuvent émettre différentes longueurs d'onde cibles en adaptant les spécifications de conception, telles que la taille des trous et le matériau semi-conducteur.

Les autres auteurs de l'étude sont Wanwoo Noh, co-auteur principal qui a obtenu son doctorat. diplôme en EECS en mai 2022; Wayesh Qarony, Scott Dhuey et Adam Schwartzberg de Berkeley Lab; et Emma Martin, titulaire d'un doctorat. étudiant en EECS. + Explorer plus loin

Des scientifiques inventent un laser à émission de surface à cavité topologique