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

La luce è uno strumento potente per vedere il mondo, ma non tutta la luce è uguale. Per decenni, gli scienziati hanno progettato laser che sparano fasci di luce in colori specifici, o lunghezze d'onda, per eseguire compiti che vanno dalla lettura dei codici a barre al guidare veicoli autonomi. La maggior parte dei laser comuni opera nell'intervallo del vicino infrarosso, una banda di luce appena oltre ciò che l'occhio umano può vedere. Tuttavia, esiste una regione differente dello spettro, che si estende da due a due e mezzo micrometri, che offre vantaggi unici. Questo intervallo, noto come infrarosso a onda corta esteso, attraversa l'atmosfera con una chiarezza straordinaria, rendendolo ideale per il rilevamento e la comunicazione a lunga distanza. Fondamentalmente, questo specifico colore di luce è anche sicuro per l'occhio umano perché i fluidi interni dell'occhio lo assorbono prima che possa raggiungere la retina sensibile. Per sfruttare questi benefici, i ricercatori hanno bisogno di laser che non siano solo potenti, ma che emettano anche un unico colore di luce puro, senza disperdersi in un fascio disordinato.

Un team di ricercatori della Ohio State University, lavorando insieme a colleghi dell'Air Force Research Laboratory e di laboratori nazionali, ha compiuto un passo significativo verso la creazione di questi laser specializzati. Il loro lavoro si concentra su un nuovo tipo di design laser chiamato laser a emissione superficiale a cristalli fotonici. A differenza dei laser tradizionali che sparano la luce lateralmente o dall'alto in un modo che spesso crea un fascio ampio e divergente, questi dispositivi utilizzano una griglia microscopica di fori incisi nel materiale semiconduttore. Questa griglia agisce come uno specchio che costringe la luce a viaggiare in un'unica direzione ed emettere dritta dalla superficie, creando un fascio stretto e di alta qualità. Sebbene dispositivi simili siano stati costruiti per lunghezze d'onda più brevi, i ricercatori hanno puntato alla difficile fascia dei due micrometri. Hanno scelto di costruire questi laser utilizzando un materiale chiamato fosfuro di indio, una scelta che ha richiesto loro di dimostrare che potesse offrire prestazioni uguali o migliori rispetto al più comune antimonuro di gallio utilizzato nei tentativi precedenti.

Il viaggio è iniziato con un attento confronto tra le due opzioni di materiale. I ricercatori hanno utilizzato modelli informatici avanzati per simulare come la luce si comporterebbe all'interno di laser realizzati con fosfuro di indio o antimonuro di gallio. Hanno scoperto che, mentre l'antimonuro di gallio produceva una luce leggermente più forte a livelli di potenza inferiori, il fosfuro di indio offriva un vantaggio distinto quando il laser veniva spinto con più forza. All'aumentare della corrente elettrica, il design in fosfuro di indio manteneva il suo focus sulla lunghezza d'onda target dei due micrometri, mentre l'altro materiale iniziava a spostare il proprio colore. Inoltre, i ricercatori hanno condotto simulazioni separate per calcolare come il calore si muoverebbe attraverso gli strati del laser. Hanno scoperto che, sebbene la struttura in fosfuro di indio conduca il calore attraverso i suoi strati interni in modo più efficiente rispetto al suo concorrente — poiché il cladding in fosfuro di indio ha una conducibilità termica di 68 W/(m·K) rispetto ai 32 W/(m·K) dell'antimonuro di gallio — l'aumento complessivo della temperatura nel dispositivo è determinato principalmente dall'involucro e dall'interfaccia dove il laser è montato, piuttosto che dagli strati semiconduttori stessi. Di conseguenza, il dispositivo in antimonuro di gallio mostrava una temperatura di giunzione leggermente superiore, con una differenza fino a 7,9 °C sotto carichi di potenza elevati, ma la sfida della gestione termica per entrambe le piattaforme è dettata in gran parte dall'interfaccia di montaggio piuttosto che dalla scelta del materiale in sé.

Con la scelta del materiale confermata, il team si è concentrato sul design fisico del laser. Hanno creato un modello microscopico di fori d'aria, disposti in una griglia quadrata, incisi in un sottile strato di semiconduttore. La dimensione e la spaziatura di questi fori sono state calcolate per risuonare con la luce esattamente a due micrometri. Una sfida chiave nella costruzione di questi dispositivi è il processo di ricrescita del materiale semiconduttore sopra i fori incisi. Se il materiale non riempie i fori perfettamente, le prestazioni del laser ne risentono. I ricercatori hanno modellato due scenari: uno in cui i fori erano riempiti con pareti perfettamente verticali, e un altro in cui le pareti erano leggermente inclinate, simili a una forma a goccia invertita, che è ciò che accade realmente durante il processo di produzione. Le loro simulazioni hanno mostrato che, anche con queste pareti realistiche e leggermente inclinate, il laser funzionerebbe comunque correttamente, con la luce che seleziona naturalmente il modo più forte e stabile per l'emissione. Ciò ha dato loro la fiducia che il design fosse abbastanza robusto per la fabbricazione effettiva.

Per dimostrare che il loro design funzionasse, il team ha costruito e testato laser a emissione laterale standard utilizzando lo stesso fosfuro di indio e la stessa regione attiva che avrebbero usato per il dispositivo finale a emissione superficiale. Questi laser di prova non erano il prodotto finale, ma servivano come prova cruciale di concetto. Una volta accesi, questi dispositivi hanno emesso con successo luce a una lunghezza d'onda di 2061 nanometri, confermando che il materiale poteva effettivamente generare il colore desiderato. I laser operavano continuamente senza interruzioni, un test impegnativo per qualsiasi dispositivo a semiconduttore. Alla temperatura ambiente, producevano un'uscita costante di 4 potenza di 42,5 milliwatt. Al crescere della temperatura, i laser rimanevano stabili, sebbene la loro efficienza diminuisse leggermente, un comportamento tipico per questa tecnologia. Il team ha anche misurato come il colore del laser cambiasse al variare della temperatura, trovando una relazione prevedibile che ha permesso di calcolare la resistenza termica del dispositivo, una misura di quanto bene possa gestire il calore.

I risultati di questo lavoro forniscono una tabella di marcia chiara per il futuro dei laser a due micrometri. Dimostrando che il fosfuro di indio può supportare un funzionamento ad alta potenza e a onda continua a questa lunghezza d'onda, i ricercatori hanno convalidato una piattaforma di materiale che è più facile da fabbricare e offre proprietà termiche favorevoli rispetto alle alternative. Hanno dimostrato che l'ingegneria microscopica necessaria per creare questi laser a emissione superficiale è fattibile, anche con le imperfezioni inerenti al processo di produzione. Sebbene il team non abbia ancora costruito il laser finale a emissione superficiale a singolo modo a due micrometri, il test riuscito dei componenti sottostanti e la rigorosa validazione del design attraverso simulazioni ed esperimenti preliminari suggeriscono che un tale dispositivo sia a portata di mano. Questo progresso avvicina la comunità scientifica al possesso di sorgenti luminose compatte, potenti e sicure per l'occhio, capaci di operare nello sfidante ma estremamente utile spettro dell'infrarosso a onda corta esteso.