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

Licht is een krachtig hulpmiddel om de wereld te zien, maar niet al het licht is gelijk. Decennialang hebben wetenschappers lasers ontwikkeld die bundels licht afvuren in specifieke kleuren, of golflengten, om taken uit te voeren die variëren van het lezen van barcodes tot het begeleiden van autonome voertuigen. De meeste gangbare lasers werken in het nabij-infraroodbereik, een band van licht net buiten wat het menselijk oog kan zien. Er is echter een ander gebied in het spectrum, dat zich uitstrekt van twee tot twee en een half micrometer, dat unieke voordelen biedt. Dit bereik, bekend als het uitgebreid kortgolvig infrarood (extended shortwave infrared), gaat met opmerkelijke helderheid door de atmosfeer, wat het ideaal maakt voor detectie en communicatie op lange afstand. Cruciaal is dat deze specifieke kleur licht ook veilig is voor menselijke ogen, omdat de interne vloeistoffen van het oog het absorberen voordat het de gevoelige retina kan bereiken. Om deze voordelen te benutten, hebben onderzoekers lasers nodig die niet alleen krachtig zijn, maar ook een enkele, zuivere kleur licht uitzenden zonder uit te waaieren tot een rommelige bundel.

Een team van onderzoekers aan The Ohio State University, werkend samen met collega's van het Air Force Research Laboratory en nationale laboratoria, heeft een belangrijke stap gezet naar het creëren van deze gespecialiseerde lasers. Hun werk richt zich op een nieuw type laserontwerp genaamd een fotonisch-kristal oppervlakte-emitterende laser (photonic-crystal surface-emitting laser). In tegen tegenstelling tot traditionele lasers die licht via de zijkant of de bovenkant naar buiten schieten op een manier die vaak een brede, divergerende bundel creëert, gebruiken deze apparaten een microscopisch rooster van gaatjes die in het halfgeleidermateriaal zijn geëtst. Dit rooster werkt als een spiegel die het licht dwingt om in één richting te reizen en recht omhoog uit het oppervlak te stralen, waardoor een strakke, hoogwaardige bundel ontstaat. Hoewel vergelijkbare apparaten zijn gebouwd voor kortere golflengten, richtten de onderzoekers zich op het moeilijke twee-micrometerbereik. Ze kozen ervoor om deze lasers te bouwen met een materiaal genaamd indiumfosfide, een keuze die van hen vereiste te bewijzen dat het even goed als, of beter dan, het meer gangbare galliumantimonaat kon presteren dat in eerdere pogingen werd gebruikt.

De reis begon met een zorgvuldige vergelijking van de twee materiaalkandidaten. De onderzoekers gebruikten geavanceerde computermodellen om te simuleren hoe licht zich zou gedragen in lasers gemaakt van ofwel indiumfosfide of galliumantimonaat. Ze ontdekten dat hoewel galliumantimonaat iets sterker licht produceerde bij lagere vermogensniveaus, indiumfosfide een duidelijk voordeel bood wanneer de laser harder werd aangedreven. Naarmate de elektrische stroom toenam, behield het indiumfosfide-ontwerp zijn focus op de doelgolflengte van twee micrometer, terwijl het andere materiaal begon te verschuiven in kleur. Bovendien voerden de onderzoekers aparte simulaties uit om te berekenen hoe warmte zich door de lagen van de laser zou bewegen. Ze ontdekten dat hoewel de indiumfosfide-structuur warmte efficiënter door zijn interne lagen geleidde dan zijn concurrent — omdat de indiumfosfide-cladding een thermische geleidbaarheid heeft van 68 W/(m·K) vergeleken met 32 W/(m·K) voor galliumantimonaat — de totale temperatuurstijging in het apparaat primair wordt bepaald door de verpakking en de interface waar de laser op is gemonteerd, in plaats van door de halfgeleiderlagen zelf. Gevolgelijk vertoonde het galliumantimonaat-apparaat een iets hogere junctietemperatuur, met een verschil van maximaal 7,9 °C bij hoge vermogensbelastingen, maar de thermische beheersingsuitdaging voor beide platforms wordt grotendeels bepaald door de montage-interface in plaats van de materiaalkeuze alleen.

Met de materiaalkeuze bevestigd, richtte het team zich op het fysieke ontwerp van de laser. Ze creëerden een microscopisch patroon van luchtgaatjes, gerangschikt in een vierkant rooster, geëtst in een dunne laag van het halfgeleidermateriaal. De grootte en tussenruimte van deze gaatjes werden berekend om te resoneren met licht op exact twee micrometer. Een belangrijke uitdaging bij het bouwen van deze apparaten is het proces van het hergroeien van het halfgeleidermateriaal over de geëtste gaatjes. Als het materiaal de gaatjes niet perfect vult, lijdt de prestaties van de laser eronder. De onderzoekers modelleerden twee scenario's: één waarbij de gaatjes gevuld waren met perfect verticale wanden, en een andere waarbij de wanden licht hellend waren, lijkend op een omgekeerde druppelvorm, wat in werkelijkheid gebeurt tijdens het fabricageproces. Hun simulaties toonden aan dat zelfs met deze realistische, licht hellende wanden, de laser nog steeds correct zou functioneren, waarbij het licht van nature de sterkste, meest stabiele modus selecteert om uit te stralen. Dit gaf hen het vertrouwen dat het ontwerp robuust genoeg was voor de werkelijke fabricage.

Om te bewijzen dat hun ontwerp werkte, bouwde en testte het team standaard rand-emitterende lasers (edge-emitting lasers) met hetzelfde indiumfosfide-materiaal en actieve regio die ze van plan waren te gebruiken voor het uiteindelijke oppervlakte-emitterende apparaat. Deze testlasers waren niet het eindproduct, maar dienden als een cruciale proof-of-concept. Wanneer ze werden ingeschakeld, zonden deze apparaten succesvol licht uit op een golflengte van 2061 nanometer, wat bevestigde dat het materiaal inderdaad de gewenste kleur kon genereren. De lasers werkten continu zonder onderbreking, een veeleisende test voor elk halfgeleiderapparaat. Bij kamertemperatuur produceerden ze een constante output van 42,5 milliwatt aan vermogen. Naarmate de temperatuur steeg, bleven de lasers stabiel, hoewel hun efficiëntie licht daalde, een gedrag dat typerend is voor dit type technologie. Het team mat ook hoe de kleur van de laser verschoof naarmate de temperatuur veranderde, waarbij ze een voorspelbare relatie vonden waarmee ze de thermische weerstand van het apparaat konden berekenen, een maatstaf voor hoe goed het met warmte kan omgaan.

De resultaten van dit werk bieden een duidelijke routekaart voor de toekomst van twee-micrometer lasers. Door aan te tonen dat indiumfosfide continue hoogvermogen-werking bij deze golflengte kan ondersteunen, hebben de onderzoekers een materiaalplatform gevalideerd dat gemakkelijker te produceren is en gunstige thermische eigenschappen biedt vergeleken met de alternatieven. Ze hebben aangetoond dat de microscopische engineering die nodig is om deze oppervlakte-emitterende lasers te creëren haalbaar is, zelfs met de imperfecties die inherent zijn aan het fabricageproces. Hoewel het team de uiteindelijke single-mode oppervlakte-emitterende laser op twee micrometer nog niet heeft gebouwd, suggereert het succesvolle testen van de onderliggende componenten en de grondige validatie van het ontwerp door middel van simulatie en voorlopige experimenten dat een dergelijk apparaat binnen handbereik ligt. Deze vooruitgang brengt de wetenschappelijke gemeenschap dichter bij het hebben van compacte, krachtige en oogveilige lichtbronnen die kunnen opereren in het uitdagende maar zeer nuttige uitgebreid kortgolvig infraroodspectrum.