Les lasers à semi-conducteurs sont les lasers les plus largement utilisés en raison de leur taille compacte, de leur rendement élevé, de leur faible coût et de leur large spectre. Mais ils souffrent d'une faible puissance de sortie et d'une faible qualité de faisceau, deux spécifications difficiles à améliorer simultanément. Par exemple, bien qu'une cavité plus grande augmente la puissance, elle prend en charge plus de modes à laser, ce qui diminue la qualité du faisceau.

Auparavant, une cavité topologique Dirac-vortex a été démontrée par le groupe L01 de l'Institut de physique de l'Académie chinoise des sciences (CAS) dirigé par le professeur Lu Ling. Il offre la meilleure sélection monomode sur la plus grande surface. Cette conception de cavité a été proposée pour surmonter les goulots d'étranglement mentionnés ci-dessus des lasers à semi-conducteurs et améliore simultanément la puissance de sortie et la qualité du faisceau.

Récemment, la même équipe a appliqué sa cavité topologique aux lasers à émission de surface et a inventé le laser à émission de surface à cavité topologique (TCSEL), dont les performances peuvent dépasser de loin celles de leurs homologues commerciaux.

Selon leur rapport publié dans Nature Photonics , TCSEL est capable d'une puissance de crête de 10 W, d'une divergence de faisceau inférieure à un degré, d'un taux de suppression de mode latéral de 60 dB et d'un réseau multi-longueurs d'onde bidimensionnel (2D), laser à 1 550 nm, la longueur d'onde la plus importante pour la communication et la sécurité oculaire. Il peut également fonctionner dans n'importe quelle autre gamme de longueurs d'onde et est prometteur pour une grande variété d'applications, y compris le LiDAR pour la reconnaissance faciale, la conduite autonome et la réalité virtuelle.

Les chercheurs ont comparé TCSEL avec les produits industriels standard des lasers à semi-conducteurs monomodes. Le laser à émission par les bords à rétroaction distribuée (DFB) utilisé dans la communication Internet ainsi que le laser à émission par la surface à cavité verticale (VCSEL) permettant la reconnaissance faciale des téléphones portables adoptent tous deux le mode à mi-écart dans leurs conceptions de résonateur 1D optimisées. TCSEL poursuit sur cette voie couronnée de succès en réalisant la version 2D du mode topologique à mi-gap qui est plus adaptée au processus planaire sur les puces semi-conductrices.

Le monomode de grande surface est une caractéristique unique de TCSEL, qui améliore la divergence (>10 W) et du faisceau (<1°). En revanche, la sortie du DFB commercial est généralement de l'ordre de dizaines de mW et la sortie d'un seul VCSEL est de quelques mW; l'angle de divergence typique de l'émission de surface est de 20 ° et le faisceau de l'émetteur de bord est généralement moins bon.

Selon le microscope optique et les images de microscopie électronique à balayage d'un diamètre de 500 μm, la structure emblématique du vortex de la cavité Dirac-vortex est clairement visible. Le champ lointain de TCSEL est un faisceau vectoriel à polarisations radiales. Il est important de noter qu'une divergence aussi étroite (inférieure à 1°) de TCSEL, sans lentilles de collimation, peut réduire la taille, la complexité et le coût du système dans des systèmes tels que la détection 3D.

De plus, la flexibilité de la longueur d'onde est une autre caractéristique unique de TCSEL, telle que la possibilité de réaliser des réseaux monolithiques 2D à plusieurs longueurs d'onde. En comparaison, VCSEL manque généralement d'accordabilité en longueur d'onde puisque la cavité verticale, déterminant la longueur d'onde laser, est épitaxiée. Bien que le laser DFB puisse ajuster la longueur d'onde, il ne peut obtenir qu'un réseau multi-longueurs d'onde 1D pour l'émission de bord.

En revanche, la longueur d'onde de TCSEL peut être arbitrairement ajustée pendant le processus de fabrication planaire. Sur la figure 2 (à droite), en modifiant la constante de réseau, la longueur d'onde laser correspondante varie linéairement de 1 512 nm à 1 616 nm. Chaque laser du réseau 2D fonctionne de manière stable dans un seul mode avec un taux de suppression de mode latéral supérieur à 50 dB. Les réseaux TCSEL multi-longueurs d'onde 2D peuvent potentiellement améliorer la technologie de multiplexage par répartition en longueur d'onde pour la transmission de signaux à haute capacité et les applications de détection multispectrale.

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. + Explorer plus loin

Researchers propose multi-aperture vertical cavity surface emitting lasers of varying size and shape