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

Licht ist ein mächtiges Werkzeug, um die Welt zu sehen, aber nicht alles Licht ist gleichwertig. Seit Jahrzehnten entwickeln Wissenschaftler Laser, die Lichtstrahlen in spezifischen Farben oder Wellenlängen abfeuern, um Aufgaben zu erfüllen, die von der Lesen von Barcodes bis hin zur Steuerung autonomer Fahrzeuge reichen. Die meisten gängigen Laser arbeiten im Nahinfrarotbereich, einem Band des Lichts, das knapp jenseits dessen liegt, was das menschliche Auge sehen kann. Es gibt jedoch einen anderen Bereich des Spektrums, der sich von zwei bis zwei einhalb Mikrometern erstreckt und einzigartige Vorteile bietet. Dieser Bereich, bekannt als erweitertes kurzwelliges Infrarot (extended shortwave infrared), durchdringt die Atmosphäre mit bemerkenswerter Klarheit, was ihn ideal für die Fernsensorik und Kommunikation macht. Entscheidend ist, dass diese spezifische Farbe des Lichts auch sicher für das menschliche Auge ist, da die internen Flüssigkeiten des Auges es absorbieren, bevor es die empfindliche Retina erreichen kann. Um diese Vorteile zu nutzen, benötigen Forscher Laser, die nicht nur leistungsstark sind, sondern auch eine einzige, reine Farbe des Lichts aussenden, ohne sich in einen unordentlichen Strahl zu zerstreuen.

Ein Team von Forschern der Ohio State University hat gemeinsam mit Kollegen des Air Force Research Laboratory und nationaler Laboratorien einen bedeutenden Schritt zur Erstellung dieser spezialisierten Laser unternommen. Ihre Arbeit konzentriert sich auf einen neuen Typ von Laserdesign, den fotonischen Kristall-Oberflächenemitter-Laser (photonic-crystal surface-emitting laser). Im Gegensatz zu herkömmlichen Lasern, die Licht seitlich oder von oben abgeben, was oft einen breiten, divergierenden Strahl erzeugt, verwenden diese Geräte ein mikroskopisches Gitter aus Löchern, die in das Halbleitermaterial geätzt wurden. Dieses Gitter wirkt wie ein Spiegel, der das Licht dazu zwingt, in eine einzige Richtung zu wandern und gerade aus der Oberfläche emittiert zu werden, wodurch ein enger, hochwertiger Strahl entsteht. Während ähnliche Geräte bereits für kürzere Wellenlängen gebaut wurden, richteten die Forscher ihr Ziel auf den schwierigen Zwei-Mikrometer-Bereich. Sie entschieden sich dafür, diese Laser aus einem Material namens Indiumphosphid zu bauen, eine Wahl, die erforderte, dass sie nachweisen, dass es ebenso gut oder sogar besser als das gebräuchlichere Galliumantimonid funktionieren kann, das in früheren Versuchen verwendet wurde.

Die Reise begann mit einem sorgfältigen Vergleich der beiden Materialoptionen. Die Forscher nutzten fortschrittliche Computermodelle, um zu simulieren, wie sich Licht in Lasern verhalten würde, die entweder aus Indiumphosphid oder Galliumantimonid bestehen. Sie fanden heraus, dass Galliumantimonid zwar bei niedrigeren Leistungsstufen etwas stärkeres Licht erzeugte, Indiumphosphid jedoch einen deutlichen Vorteil bot, wenn der Laser stärker belastet wurde. Mit zunehmendem elektrischem Strom behielt das Indiumphosphid-Design seinen Fokus auf die Zielwellenlänge von zwei Mikrometern bei, während das andere Material begann, seine Farbe zu verschieben. Darüber hinaus führten die Forscher separate Simulationen durch, um zu berechnen, wie Wärme durch die Schichten des Lasers geleitet wird. Sie entdeckten, dass die Indiumphosphid-Struktur Wärme effizienter durch ihre internen Schichten leitete als ihr Konkurrent – da das Indiumphosphid-Cladding eine Wärmeleitfähigkeit von 68 W/(m·K) im Vergleich zu 32 W/(m·K) für Galliumantimonid aufweist –, dass die allgemeine Temperaturerhöhung im Gerät primär durch die Verpackung und die Schnittstelle, an der der Laser montiert ist, bestimmt wird, und nicht durch die Halbleiterschichten selbst. Folglich zeigte das Galliumantimonid-Gerät eine etwas höhere Übergangstemperatur, mit einer Differenz von bis zu 7,9 °C bei hohen Lasten, wobei die Herausforderung des Wärmemanagements für beide Plattformen eher durch die Montage-Schnittstelle als durch die Materialwahl allein diktiert wird.

Nachdem die Materialwahl bestätigt war, widmete sich das Team dem physischen Design des Lasers. Sie erstellten ein mikroskopisches Muster aus Luftlöchern, die in einem quadratischen Gitter angeordnet und in eine dünne Schicht des Halbleiters geätzt wurden. Die Größe und der Abstand dieser Löcher wurden so berechnet, dass sie mit Licht bei genau zwei Mikrometern resonieren. Eine zentrale Herausforderung beim Bau dieser Geräte ist der Prozess des Nachwachsens des Halbleitermaterials über die geätzten Löcher. Wenn das Material die Löcher nicht perfekt füllt, leidet die Leistung des Lasers. Die Forscher modellierten zwei Szenarien: eines, bei dem die Löcher mit perfekt vertikalen Wänden gefüllt waren, und ein anderes, bei dem die Wände leicht geneigt waren, was einer invertierten Tropfenform ähnelt, wie es bei der eigentlichen Herstellung der Fall ist. Ihre Simulationen zeigten, dass der Laser selbst mit diesen realistischen, leicht geneigten Wänden immer noch korrekt funktionieren würde, da das Licht natürlich den stärksten, stabilsten Modus wählt, um zu emittieren. Dies gab ihnen die Zuversicht, dass das Design robust genug für die tatsächliche Fertigung ist.

Um zu beweisen, dass ihr Design funktionierte, bauten und testeten das Team Standard-Kantenemitter-Laser unter Verwendung desselben Indiumphosphid-Materials und derselben aktiven Region, die sie für das endgültige Oberflächenemitter-Gerät planen wollten. Diese Test-Laser waren nicht das Endprodukt, sondern dienten als entscheidender Machbarkeitsnachweis. Beim Einschalten emittierten diese Geräte erfolgreich Licht bei einer Wellenlänge von 2061 Nanometern, was bestätigte, dass das Material tatsächlich die gewünschte Farbe erzeugen kann. Die Laser arbeiteten kontinuierlich ohne Unterbrechung, ein anspruchsvoller Test für jedes Halbleitergerät. Bei Raumtemperatur erzeugten sie eine konstante Ausgangsleistung von 42,5 Milliwatt. Als die Temperatur stieg, blieben die Laser stabil, obwohl ihre Effizienz leicht sank, ein Verhalten, das für diese Art von Technologie typisch ist. Das Team maß auch, wie sich die Farbe des Lasers mit der Temperatur änderte, und fand eine vorhersagbare Beziehung, die es ihnen ermöglichte, den thermischen Widerstand des Bauteils zu berechnen – ein Maß dafür, wie gut es mit Hitze umgehen kann.

Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern eine klare Roadmap für die Zukunft der Zwei-Mikrometer-Laser. Indem sie demonstrierten, dass Indiumphosphid die Hochleistungs-Dauerbetrieb (Continuous-Wave) bei dieser Wellenlänge unterstützen kann, haben die Forscher eine Materialplattform validiert, die einfacher zu fertigen ist und günstigere thermische Eigenschaften bietet als die Alternativen. Sie haben gezeigt, dass das mikroskopische Engineering, das zur Erstellung dieser Oberflächenemitter-Laser erforderlich ist, auch unter den Unvollkommenheiten, die im Herstellungsprozess inhärent sind, machbar ist. Obwohl das Team den endgültigen Single-Mode-Oberflächenemitter-Laser bei zwei Mikrometern noch nicht gebaut hat, deutet der erfolgreiche Test der zugrunde liegenden Komponenten und die gründliche Validierung des Designs durch Simulationen und vorläufige Experimente darauf hin, dass ein solches Gerät in greifbarer Nähe ist. Dieser Fortschritt bringt die wissenschaftliche Gemeinschaft näher an den Besitz kompakter, leistungsstarker und augensicherer Lichtquellen, die in der anspruchsvollen, aber hochgradig nützlichen erweiterten kurzwelligen Infrarot-Spektrum operieren können.