Nový mikrolaser pro použití a výzkum

Schématické znázornění mikrolaseru s nanometrově přesně strukturovaným povrchovým mřížkou. Kompaktní polovodičový laser vytváří směrovaný paprsek světla s přesně přizpůsobeným paprskovým profilem podle konkrétní aplikace.

Pomocí tloušťky nosníků v mřížce, jejich vzdáleností a hloubky drážek lze nastavit vlnovou délku laserových paprsků. Pod mřížkou jsou vidět několik Braggových zrcadel nad aktivní vrstvou (světle šedá), kde vzniká záření. Pod nimi se nachází velké množství vrstev Braggových zrcadel. (snímek elektronovým mikroskopem)

Schématické uspořádání nového mikrolaseru s dolní vrstvou Braggových zrcadlových párů (DBR), aktivní vrstvou v červené barvě, několika vrstvami Braggových zrcadlových párů nad tím (DBR) a mřížkou (MHCG).

Inovativní koncept mikrolaseru založený na takzvaných povrchových emitorech (VCSEL) vyvinulo odborné oddělení „Optoelektronika a kvantové součástky“ Technické univerzity v Berlíně pod vedením prof. Dr. Stephana Reitzensteina. U nových mikrolaserů se jedná o vertikálně uspořádané laserové diody, u nichž jsou horní, světelně odrážející vrstvy z velké části nahrazeny optickou mřížkou vytečenou do polovodičového materiálu. Tím se jednak podařilo zkrátit výrobní proces laserových diod téměř na polovinu času. Na druhé straně je k dispozici metoda, která umožňuje v jednom výrobním kroku vyrobit mnoho diod s různými laserovými vlnovými délkami díky vytečení optické mřížky. Výsledky byly dosaženy ve spolupráci s výzkumníky z Univerzity v Łódzi (Polsko) a nyní byly publikovány v odborném časopise „Optica“.

Už více než dvě desetiletí jsou v provozu: laserové diody, které vyzařují své světlo kolmo na polovodičový čip, ve kterém se nacházejí. Tyto „VCSEL“ (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) se na rozdíl od laserových diod, u nichž světlo vychází z boční plochy, dokážou velmi dobře začlenit laserový paprsek do optického vlákna. Důvodem je kulovitá geometrie s malou velikostí, stejně jako dobrá kvalita paprsku a možnost zaostření. Proto se VCSEL používají například v velkých datových centrech, kde umožňují efektivní přenos informací mezi jednotlivými servery. Také v mobilech se používají pro rozpoznávání obličeje.

Úspora času pro průmyslovou výrobu

„VCSEL v podstatě sestává z aktivní vrstvy, ve které vznikají světelné částice, a nad ní a pod ní jsou vrstvy takzvaných Braggových zrcadel. Ty opakovaně odrážejí světlo zpět do aktivní vrstvy, aby zde podněcovaly vznik dalších světelných částic. To je typický laserový efekt, který vede k tomu, že paprsky na konci všechny perfektně synchronizovaně kmitají,“ vysvětluje Stephan Reitzenstein. „Horní zrcadlové vrstvy odrážejí laserové světlo mírně méně. Část laserového paprsku tak může proniknout ven a být využita.“

Výzkumníci nyní nahradili většinu horních zrcadlových vrstev jemnou mřížkou, kterou vytečili do polovodičového materiálu pomocí lithografické metody. Odrazem světelných vln na mřížce a jejich následným překrýváním lze dosáhnout podobných efektů jako u složitě vyrobených zrcadlových vrstev. „Velký rozdíl je v tom, že už nemusíme nanášet tolik polovodičových vrstev za sebou. To je zdlouhavý a nákladný proces, který trvá asi dvanáct hodin. Použitím mřížky ušetříme přibližně polovinu tohoto času,“ vysvětluje Niels Heermeier, hlavní autor studie. Tento časový a nákladový úspora je pro průmyslovou výrobu důležitým faktorem.

Výroba různých laserových diod v jednom výrobním kroku

„Ještě důležitější výhodou mřížky je, že v jednom výrobním kroku lze současně vyrábět laserové diody s různými výstupními vlnovými délkami na polovodičovém waferu,“ vysvětluje Heermeier. Při leptací metodě se mění několik geometrických parametrů mřížky podle diody: tloušťka pruhů mřížky, jejich vzdálenost od sebe a hloubka vytečených rýh mezi nimi. „Tuto flexibilitu jsme při nanášení zrcadlových vrstev neměli, protože ty musí růst na celém waferu a tím stanovují vlastnosti všech laserových diod jednotně.“

Pro přesné výrobení nových mikrolaserů s jejich individuálními vlastnostmi je nutná extrémně vysoká přesnost: velikosti nesmějí odchýlit od požadované hodnoty více než o méně než pět nanometrů. Ve srovnání s vzdáleností Země od Měsíce téměř 400 000 kilometrů by to odpovídalo maximální přípustné odchylce dvou metrů. Tato přesnost byla možná pouze díky existující elektronové paprskové lithografické zařízení, které bylo zakoupeno v rámci odborného oddělení za prostředky Německé výzkumné společnosti (DFG) a Technické univerzity v Berlíně a které musí být výzkumníky složitým procesem přizpůsobeno jejich úkolu.

Uplatnění v datových centrech, autonomní jízdě a optických počítačích

Kromě využití v datových centrech pro efektivní připojení signálů do skleněných vláken by mikrolasery mohly být také použity pro takzvaný LIDAR (Light Detection and Ranging), který měří vzdálenosti pomocí laserových paprsků a například hraje významnou roli při autonomní jízdě. Zde poskytují uspořádání s laserovými diodami různých vlnových délek – jak je možné snadno vyrobit novou metodou – podstatně lepší rozlišení.

Nové VCSEL diody by mohly být také důležitým prvkem pro hardware takzvaného neuromorfního výpočetního systému s optickými procesory, který vyvíjí skupina Stephana Reitzensteina ve spolupráci s kolegy z Univerzity v Berkeley a MIT v Bostonu. Tyto počítače jsou konstruovány podobně jako lidský mozek a místo elektrických obvodů používají optické součástky a světlo jako nosič informací. Často je toto světlo generováno uspořádáním několika laserových diod na optickém čipu. „Důležité je, aby vlnová délka světla z laserových diod byla přesně stejná. I nejmenší odchylky při výrobě však mohou vést k rozdílným vlnovým délkám,“ vysvětluje Stephan Reitzenstein. S novou metodou by bylo možné po výrobě optického čipu změřit vlnové délky a následně je přesně sladit pomocí dodatečně vytečených mřížkových struktur.

Cesta k ultrakompaktním laserovým diodám

Nové mikrolasery jsou také zajímavé pro základní výzkum, protože díky náhodě mohli výzkumníci z kooperující pracovní skupiny v Polsku poprvé v běžných VCSEL diodách realizovat exotický kvantový stav „Bose-Einsteinova kondenzátu“ s částicemi světla. Tyto jevy lze nyní díky novým, jednodušeji nastavitelým laserovým diodám podrobněji zkoumat.

„Dalším krokem bude výměna spodních zrcadlových vrstev nových VCSEL diod za druhou mřížku,“ říká Reitzenstein. „Tím by se prvek ještě jednou zmenšil a jeho výroba by byla rychlejší.“ „Tato úloha je však podstatně složitější, protože je třeba odstranit nosný materiál diody na spodní straně.“ Z pohledu Stephana Reitzensteina má proto nově vznikající „Center for Integrated Photonics Research“ (CIPHOR) jako ústřední součást nového experimentálního fyzikálního areálu na východním kampusu TU Berlín zvláštní význam. Tento komplex bude stát od roku 2028 a s vysoce vybavenými čistými místnostmi otevře nové možnosti výroby.