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

La luz es una herramienta poderosa para ver el mundo, pero no toda la luz es igual. Durante décadas, los científicos han diseñado láseres que disparan haces de luz en colores específicos, o longitudes de onda, para realizar tareas que van desde leer códigos de barras hasta guiar vehículos autónomos. La mayoría de los láseres comunes operan en el rango del infrarrojo cercano, una banda de luz justo más allá de lo que el ojo humano puede ver. Sin embargo, existe una región diferente del espectro, que se extiende desde los dos a los dos micrómetros y medio, que ofrece ventajas únicas. Este rango, conocido como el infrarrojo corto extendido, atraviesa la atmósfera con una claridad notable, lo que lo hace ideal para la detección y la comunicación a larga distancia. Crucialmente, este color específico de luz también es seguro para los ojos humanos porque los fluidos internos del ojo lo absorben antes de que pueda llegar a la retina sensible. Para aprovechar estos beneficios, los investigadores necesitan láseres que no solo sean potentes, sino que también emitan un color de luz puro y único sin dispersarse en un haz desordenado.

Un equipo de investigadores de la Universidad Estatal de Ohio, trabajando junto con colegas del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea y laboratorios nacionales, ha dado un paso significativo hacia la creación de estos láseres especializados. Su trabajo se centra en un nuevo tipo de diseño de láser llamado láser de emisión superficial de cristal fotónico. A diferencia de los láseres tradicionales que disparan la luz hacia un lado o desde la parte superior de una manera que a menudo crea un haz ancho y divergente, estos dispositivos utilizan una rejilla microscópica de agujeros grabados en el material semiconductor. Esta rejilla actúa como un espejo que obliga a la luz a viajar en una sola dirección y a emitirse directamente hacia arriba desde la superficie, creando un haz estrecho y de alta calidad. Aunque se han construido dispositivos similares para longitudes de onda más cortas, los investigadores fijaron su objetivo en el difícil rango de los dos micrómetros. Eligieron construir estos láseres utilizando un material llamado fosfuro de indio, una elección que requirió que demostraran que podía funcionar tan bien como, o mejor que, el más común antimoniuro de galio utilizado en intentos previos.

El viaje comenzó con una comparación cuidadosa de las dos opciones de material. Los investigadores utilizaron modelos computacionales avanzados para simular cómo se comportaría la luz dentro de los láseres fabricados ya sea de fosfuro de indio o de antimoniuro de galio. Descubrieron que, si bien el antimoniuro de galio producía una luz ligeramente más fuerte a niveles de potencia bajos, el fosfuro de indio ofrecía una ventaja distintiva cuando el láser se forzaba más. A medida que la corriente eléctrica aumentaba, el diseño de fosfuro de indio mantenía su enfoque en la longitud de onda objetivo de dos micrómetros, mientras que el otro material comenzaba a cambiar su color. Además, los investigadores realizaron simulaciones separadas para calcular cómo se movería el calor a través de las capas del láser. Descubrieron que, si bien la estructura de fosfuro de indio conducía el calor a través de sus capas internas de manera más eficiente que su competidor —debido a que el revestimiento de fosfuro de indio tiene una conductividad térmica de 68 W/(m·K) en comparación con los 32 W/(m·K) del antimoniuro de galio—, el aumento de temperatura general en el dispositivo está determinado principalmente por el empaquetado y la interfaz donde el láser está montado, más que por las propias capas semiconductoras. En consecuencia, el dispositivo de antimoniuro de galio mostró una temperatura de unión ligeramente más alta, con una diferencia de hasta 7.9 °C bajo cargas de alta potencia, pero el desafío de la gestión térmica para ambas plataformas está dictado en gran medida por la interfaz de montaje más que por la elección del material por sí sola.

Con la elección del material confirmada, el equipo se centró en el diseño físico del láser. Crearon un patrón microscópico de agujeros de aire, dispuestos en una rejilla cuadrada, grabados en una capa delgada del semiconductor. El tamaño y el espaciado de estos agujeros se calcularon para resonar con la luz exactamente a dos micrómetros. Un desafío clave en la construcción de estos dispositivos es el proceso de volver a cultivar el material semiconductor sobre los agujeros grabados. Si el material no llena los agujeros perfectamente, el rendimiento del láser sufre. Los investigadores modelaron dos escenarios: uno donde los agujeros estaban llenos con paredes perfectamente verticales, y otro donde las paredes eran ligeramente inclinadas, asemejándose a una forma de gota invertida, que es lo que realmente sucede durante el proceso de fabricación. Sus simulaciones mostraron que, incluso con estas paredes ligeramente inclinadas y realistas, el láser aún funcionaría correctamente, con la luz seleccionando naturalmente el modo más fuerte y estable para emitir. Esto les dio la confianza de que el diseño era lo suficientemente robusto para la fabricación real.

Para demostrar que su diseño funcionaba, el equipo construyó y probó láseres de emisión de borde estándar utilizando el mismo material de fosfuro de indio y la región activa que planeaban usar para el dispositivo final de emisión superficial. Estos láseres de prueba no eran el producto final, sino que servían como una prueba de concepto crucial. Al encenderse, estos dispositivos emitieron con éxito luz a una longitud de onda de 2061 nanómetros, confirmando que el material podía, de hecho, generar el color deseado. Los láseres funcionaron continuamente sin interrupciones, una prueba exigente para cualquier dispositivo semiconductor. A temperatura ambiente, produjeron una salida constante de 42.5 milivatios de potencia. A medida que la temperatura aumentaba, los láseres permanecían estables, aunque su eficiencia disminuía ligeramente, un comportamiento que es típico para este tipo de tecnología. El equipo también midió cómo cambiaba el color del láser a medida que cambiaba la temperatura, encontrando una relación predecible que les permitió calcular la resistencia térmica del dispositivo, una medida de qué tan bien puede manejar el calor.

Los resultados de este trabajo proporcionan una hoja de ruta clara para el futuro de los láseres de dos micrómetros. Al demostrar que el fosfuro de indio puede soportar una operación de onda continua de alta potencia a esta longitud de onda, los investigadores han validado una plataforma de material que es más fácil de fabricar y ofrece propiedades térmicas favorables en comparación con las alternativas. Han demostrado que la ingeniería microscópica necesaria para crear estos láseres de emisión superficial es factible, incluso con las imperfecciones inherentes al proceso de fabricación. Si bien el equipo aún no ha construido el láser final de emisión superficial de un solo modo a dos micrómetros, la prueba exitosa de los componentes subyacentes y la validación exhaustiva del diseño mediante simulaciones y experimentos preliminares sugieren que tal dispositivo está al alcance de la mano. Este progreso acerca a la comunidad científica a tener fuentes de luz compactas, potentes y seguras para los ojos, capaces de operar en el desafiante pero altamente útil espectro del infrarrojo corto extendido.