새로운 단일 모드 반도체 레이저 제작: 동시 고출력 및 크기 스케일링
캘리포니아 버클리 대학 (UC 버클리)의 연구원들은 최근 BerkSEL이라는 새로운 유형의 반도체 레이저를 개발했습니다. 그 결과는 6 월 29 일 Nature 저널에 발표되었습니다.
버클리 표면 방출 레이저 (BerkSEL)의 회로도, 펌프 빔은 파란색으로, 레이저 빔은 빨간색으로.
단일 모드 레이저의 크기와 전력을 동시에 증가시키는 것은 1960 년 첫 번째 레이저가 제작 된 이래로 광학에서 어려운 과제였습니다. 그리고이 연구는 크기가 일관성을 희생 할 필요가 없다는 것을 보여 주므로 레이저가보다 강력하고 안정적이며 많은 응용 분야에서 더 먼 거리를 커버 할 수 있습니다.
캘리포니아 버클리 대학의 전기 공학 및 컴퓨터 과학과 (EECS)의 부교수 인 Boubacar Kanté가 이끄는 연구원 팀과 Lawrence Berkeley National Laboratory의 재료 과학 부서의 과학자들은 확장 가능한 레이저 캐비티 역할을 할 수있는 균일 한 간격과 동일한 크기의 구멍 천공을 가진 반도체 필름을 시연했습니다. 결과는 레이저 빔이이 레이저 공동의 크기에 관계없이 일관된 단일 파장을 방출한다는 것을 보여줍니다.
기존의 레이저에서, 일관된 단일 파장 방향광은 레이저 캐비티의 크기가 증가함에 따라 분해되기 시작합니다. 표준 솔루션은 도파관과 같은 외부 메커니즘을 사용하여 빔을 증폭하는 것이지만 많은 공간을 차지합니다. 외부 증폭의 필요성을 제거함으로써 연구원은 이제 크기를 줄이고 컴퓨터 칩 및 기타 레이저 의존 구성 요소의 효율성을 높일 수 있습니다.
이 작업은 특히 수직 캐비티 표면 방출 레이저 (VCSEL) 기술과 관련이 있습니다. VCSELS에서 빛은 칩의 상단 표면에서 수직으로 방출됩니다. VCSEL은 일반적으로 몇 미크론의 폭에 불과하며, 전력을 향상시키는 데 사용되는 현재 전략은 수백 개의 개별 VCSEL을 함께 클러스터링하는 것입니다. 레이저는 독립적이기 때문에 위상과 파장이 다르기 때문에 그 힘은 일관되게 결합되지 않습니다 - 이는 안면 인식과 같은 응용 분야에서는 허용되지만 통신 또는 수술과 같이 정확도가 중요한 응용 분야에서는 완전히 작동하지 않습니다.
UC 버클리에서 개발된 "BerkSEL" 레이저 설계는 주로 박막의 구멍을 통과하는 빛의 물리적 특성을 기반으로 보다 효율적인 단일 모드 발광을 가능하게 합니다. 그들이 개발 한 필름은 200nm 두께의 인듐 갈륨 비소 포 스피드 (광섬유 및 통신 기술에 일반적으로 사용되는 반도체)입니다. 연구자들은 이러한 규칙적인 구멍이 포토 리소그래피에 의해 에칭되고 고정 된 크기, 모양 및 거리를 가져야한다는 점에 주목합니다 - 그들은 에너지의 선형 분산에 기초한 이차원 재료의 토폴로지 적 특징 인 Dirac 점으로 작용할 수 있습니다.
더욱이, 한 지점에서 다른 지점으로 전파되는 빛의 위상은 굴절률에 이동 거리를 곱한 위상과 동일하기 때문이다. 굴절률이 Dirac 점에서 제로이기 때문에, 반도체의 다른 부분으로부터 방출되는 빛은 정확히 동일한 위상에 있고, 따라서 광학적으로 동일하다. 이 연구의 공동 저자이자 EECS 박사후 연구원 인 Walid Redjem은 "우리 연구의 영화에는 약 3,000 개의 구멍이 있지만 이론적으로는 백만 개 또는 수십억 개의 구멍이있을 수 있으며 결과는 같을 것"이라고 말했다.
연구진은 이제 고에너지 펄스 레이저를 사용하여 BerkSEL 장치를 광학적으로 펌핑하고 전력을 공급하고 근적외선 분광법에 최적화된 공초점 현미경을 사용하여 각 조리개에서 방출을 측정합니다. 조리개 크기 및 반도체 재료와 같은 설계 사양을 조정함으로써 "BerkSEL" 반도체 레이저는 다양한 목표 파장에서 방출할 수 있습니다.
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