Towards Single-Mode Continuous-Wave InP Based Photonic-Crystal Surface-Emitting Lasers at 2 µm

يُعد الضوء أداة قوية لرؤية العالم، ولكن ليس كل الضوء متساوياً. فعلى مدى عقود، عمل العلماء على هندسة ليزرات تطلق حزماً من الضوء بألوان محددة، أو أطوال موجية، لأداء مهام تتراوح من قراءة الرموز الشريطية إلى توجيه المركبات ذاتية القيادة. تعمل معظم الليزرات الشائعة في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة، وهو نطاق ضوئي يقع خلف ما تراه العين البشرية مباشرة. ومع ذلك، هناك منطقة مختلفة من الطيف، تمتد من اثنين إلى اثنين ونصف ميكرومتر، توفر مزايا فريدة. هذا النطاق، المعروف باسم الأشعة تحت الحمراء قصيرة الموجة الممتدة، يمر عبر الغلاف الجائع بوضوح ملحوظ، مما يجعله مثالياً للاستشعار والاتصالات بعيدة المدى. والأهم من ذلك، أن هذا اللون المحدد من الضوء آمن أيضاً للعيون البشرية لأن سوائل العين الداخلية تمتصه قبل أن يصل إلى الشبكية الحساسة. ولتسخير هذه الفوائد، يحتاج الباحثون إلى ليزرات ليست قوية فحسب، بل تصدر أيضاً لوناً واحداً نقياً من الضوء دون أن يتشتت في حزمة عشوائية.

لقد اتخذ فريق من الباحثين في جامعة ولاية أوهايو، بالتعاون مع زملاء من مختبر أبحاث القوات الجوية والمختبرات الوطنية، خطوة كبيرة نحو إنشاء هذه الليزرات المتخصصة. يركز عملهم على نوع جديد من تصميم الليزر يسمى ليزر الانبعاث السطحي ذو البلورات الفوتونية. وخلافاً لليزرات التقليدية التي تطلق الضوء من الجانب أو من الأعلى بطريقة تؤدي غالباً إلى إنشاء حزمة واسعة ومتفرقة، تستخدم هذه الأجهزة شبكة مجهرية من الثقوب المحفورة في المادة شبه الموصلة. تعمل هذه الشبكة مثل مرآة تجبر الضوء على السفر في اتجاه واحد والانبعاث مباشرة من السطح، مما يخلق حزمة ضيقة وعالية الجودة. وبينما تم بناء أجهزة مماثلة لأطوال موجية أقصر، فقد وجه الباحثون أنظارهم إلى نطاق الاثنين ميكرومتر الصعب. وقد اختاروا بناء هذه الليزرات باستخدام مادة تسمى فوسفيد الإنديوم، وهو خيار تطلب منهم إثبات قدرتها على الأداء بشكل يضاهي أو يتفوق على مادة أنتيمونيد الغاليوم الأكثر شيوعاً المستخدمة في المحاولات السابقة.

بدأت الرحلة بمقارنة دقيقة بين خياري المادة. استخدم الباحثون نماذج حاسوبية متقدمة لمحاكاة كيفية سلوك الضوء داخل الليزرات المصنوعة من فوسفيد الإنديوم أو أنتيمونيد الغاليوم. ووجدوا أنه بينما أنتجت أنتيمونيد الغاليوم ضوءاً أقوى قليلاً عند مستويات الطاقة المنخفضة، فإن فوسفيد الإنديوم قدم ميزة متميزة عندما يتم دفع الليزر بقوة أكبر. فمع زيادة التيار الكهربائي، حافظ تصميم فوسفيد الإنديوم على تركيزه على طول موجة الاثنين ميكرومتر المستهدفة، بينما بدأ لون المادة الأخرى في التغير. علاوة على ذلك، أجرى الباحثون عمليات محاكاة منفصلة لحساب كيفية انتقال الحرارة عبر طبقات الليزر. واكتشفوا أنه بينما يقوم هيكل فوسفيد الإنديوم بتوصيل الحرارة عبر طبقاته الداخلية بكفاءة أكبر من منافسه — نظراً لأن التغليف الخاص بفوسفيد الإنديوم لديه موصلية حرارية تبلغ 68 واط/(متر·كلفن) مقارنة بـ 32 واط/(متر·كلفن) لأنتيمونيد الغاليوم — فإن الارتفاع الإجمالي في درجة حرارة الجهاز يتحدد أساساً من خلال التغليف والواجهة حيث يتم تركيب الليزر، وليس من خلال الطبقات شبه الموصلة نفسها. وبناءً على ذلك، أظهر جهاز أنتيمونيد الغاليوم درجة حرارة وصلة أعلى قليلاً، بفارق يصل إلى 7.9 درجة مئوية عند أحمال الطاقة العالية، لكن تحدي الإدارة الحرارية لكلا المنصتين يعتمد بشكل كبير على واجهة التركيب بدلاً من اختيار المادة وحدها.

بعد تأكيد اختيار المادة، انتقل الفريق إلى التصميم الفيزيائي لليزر. لقد أنشأوا نمطاً مجهرياً من ثقوب الهواء، مرتبة في شبكة مربعة، محفورة في طبقة رقيقة من المادة شبه الموصلة. تم حساب حجم وتباعد هذه الثقوب لتتجاوب مع الضوء عند طول موجي قدره اثنان ميكرومتر بالضبط. ويتمثل أحد التحديات الرئيسية في بناء هذه الأجهزة في عملية إعادة نمو المادة شبه الموصلة فوق الثقوب المحفورة. فإذا لم تملأ المادة الثقوب بشكل مثالي، فإن أداء الليزر يتأثر. صمم الباحثون سيناريوهين: أحدهما حيث تم ملء الثقوب بجدران عمودية تماماً، والآخر حيث تكون الجدران مائلة قليلاً، تشبه شكل قطرة الماء المقلوبة، وهو ما يحدث فعلياً أثناء عملية التصنيع. أظهرت عمليات المحاكاة الخاصة بهم أنه حتى مع وجود هذه الجدران المائلة قليلاً والواقعية، سيظل الليزر يعمل بشكل صحيح، حيث سيختار الضوء طبيعياً النمط الأقوى والأكثر استقراراً للانبعاث. وقد منحهم هذا الثقة في أن التصميم قوي بما يكفي للتصنيع الفعلي.

لإثبات نجاح تصميمهم، قام الفريق ببناء واختبار ليزرات انبعاث حافة قياسية باستخدام نفس مادة فوسفيد الإنديوم والمنطقة النشطة التي يخططون لاستخدامها في جهاز الانبعاث السطحي النهائي. لم تكن ليزرات الاختبار هذه هي المنتج النهائي، بل كانت بمثابة إثبات مفهوم حاسم. وعند تشغيلها، نجحت هذه الأجهزة في إصدار ضوء عند طول موجي قدره 2061 نانومتر، مما أكد أن المادة يمكنها بالفعل توليد اللون المطلوب. عملت الليزرات بشكل مستمر دون انقطاع، وهو اختبار صعب لأي جهاز شبه موصل. وعند درجة حرارة الغرفة، أنتجت طاقة ثابتة قدرها 42.5 ميلي واط. ومع ارتفاع درجة الحرارة، ظلت الليزرات مستقرة، رغم انخفاض كفاءتها قليلاً، وهو سلوك نموذجي لهذا النوع من التكنولوجيا. كما قاس الفريق كيفية تغير لون الليزر مع تغير درجة الحرارة، ووجدوا علاقة يمكن التنبؤ بها سمحت لهم بحساب المقاومة الحرارية للجهاز، وهي مقياس لمدى قدرته على التعامل مع الحرارة.

توفر نتائج هذا العمل خارطة طريق واضحة لمستقبل ليزرات الاثنين ميكرومتر. فمن خلال إثبات أن فوسفيد الإنديوم يمكنه دعم التشغيل المستمر عالي القدرة عند هذا الطول الموجي، أكد الباحثون صحة منصة مادية يسهل تصنيعها وتوفر خصائص حرارية مواتية مقارنة بالبدائل. لقد أظهروا أن الهندسة المجهرية المطلوبة لإنشاء ليزرات الانبعاث السطوي هذه هي عملية ممكنة، حتى مع العيوب المتأصلة في عملية التصنيع. وبينما لم يبنِ الفريق بعد ليزر الانبعاث السطحي النهائي أحادي النمط عند اثنين ميكرومتر، فإن الاختبار الناجح للمكونات الأساسية والتحقق الشامل من التصميم من خلال المحاكاة والتجارب الأولية يشير إلى أن مثل هذا الجهاز بات في المتناول. يقرب هذا التقدم المجتمع العلمي من امتلاك مصادر ضوئية مدمجة وقوية وآمنة للعين قادرة على العمل في طيف الأشعة تحت الحمراء قصيرة الموجة الممتدة، والذي يتسم بالتحديات ولكن بفوائد عالية الاستخدام.