Nuevo microláser para aplicaciones e investigación

Representación esquemática de un microláser con una rejilla superficial estructurada con precisión nanométrica. El láser semiconductor compacto genera un haz de luz dirigido con un perfil de haz ajustado exactamente a la aplicación correspondiente.

A través del grosor de las vigas en la rejilla de rayas, sus distancias y la profundidad de las ranuras, se puede ajustar la longitud de onda de los haces láser. Debajo de la rejilla de rayas se ven los pocos espejos de Bragg por encima de la capa activa (gris claro), donde se genera la radiación. Debajo hay muchas capas de capas reflectoras de Bragg. (Imagen con microscopio electrónico)

Estructura esquemática de la nueva microláser con la capa inferior de pares de espejos de Bragg (DBR), la capa activa en rojo, las pocas capas de pares de espejos de Bragg por encima (DBR) y la rejilla de líneas (MHCG).

Un concepto innovador de microláser basado en los llamados emisores de superficie (VCSEL) ha sido desarrollado por el departamento de "Optoelectrónica y componentes cuánticos" de la TU Berlín bajo la dirección del Prof. Dr. Stephan Reitzenstein. Los nuevos microláseres son diodos láser construidos en forma vertical, en los que las capas superiores reflectantes de luz han sido en su mayor parte reemplazadas por una rejilla óptica grabada en el material semiconductor. De esta manera, por un lado, fue posible reducir casi a la mitad el tiempo de producción de los diodos láser. Por otro lado, con la incorporación de una rejilla óptica, se dispone de un método que en un solo paso de producción puede fabricar muchos diodos con diferentes longitudes de onda láser. Los resultados fueron logrados en colaboración con investigadores de la Universidad de Łódź (Polonia) y ya han sido publicados en la revista especializada "Optica".

Ya llevan más de dos décadas en uso: diodos láser que emiten su luz perpendicular a la superficie del chip semiconductor en el que se encuentran. Estos "VCSEL" (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) pueden, a diferencia de los diodos láser en los que la luz sale por un lado, acoplar muy bien el haz láser a una fibra óptica. La razón de esto es la geometría circular con un tamaño compacto, así como una buena calidad del haz y capacidad de enfoque. Por ello, los VCSEL se utilizan, por ejemplo, en grandes centros de datos, donde permiten una transmisión eficiente de información entre servidores individuales. También se emplean en teléfonos móviles para reconocimiento facial.

Ahorro de tiempo para la producción industrial

"Un VCSEL consiste esencialmente en una capa activa, donde se generan las partículas de luz, y en capas superiores e inferiores de lo que se llaman espejos de Bragg. Estos reflejan la luz repetidamente de vuelta a la capa activa para estimular la generación de más partículas de luz. Ese es el efecto láser típico, que hace que los haces de luz oscilen perfectamente en sincronía", explica Stephan Reitzenstein. "Las capas reflectantes superiores reflejan ligeramente menos la luz láser. Así, una parte del haz láser puede salir y ser utilizada."

Los investigadores han reemplazado ahora la mayor parte de las capas reflectantes superiores por una rejilla fina grabada mediante un proceso litográfico en el material semiconductor. La difracción de las ondas de luz en la rejilla y su posterior superposición pueden producir efectos similares a los de las capas reflectantes fabricadas de manera costosa y laboriosa. "La gran diferencia es, por un lado, que ya no tenemos que aplicar tantas capas de semiconductor en sucesión. Eso es un proceso largo y costoso que dura unas doce horas. Con el uso de la rejilla, ahorramos aproximadamente la mitad de ese tiempo", explica Niels Heermeier, autor principal del estudio. Este ahorro de tiempo y costos es un factor importante para la producción industrial.

Fabricación de diferentes diodos láser en un solo paso de producción

"La ventaja aún mayor de la rejilla es que en un solo proceso de producción se pueden fabricar diodos láser con diferentes longitudes de onda de salida en una oblea de semiconductor", explica Heermeier. Para ello, en el proceso de grabado se varían varios parámetros geométricos de la rejilla según la diodo: el grosor de las barras de la rejilla, su separación y la profundidad de las ranuras grabadas entre ellas. "Esa flexibilidad no la tenemos al aplicar las capas reflectantes, ya que estas deben crecer en toda la superficie de la oblea y, por tanto, establecen propiedades uniformes para todos los diodos láser."

Para fabricar con precisión los nuevos microláseres con sus propiedades individuales, se requiere una precisión extremadamente alta: las dimensiones pueden desviarse en menos de cinco nanómetros de su valor previsto. Comparado con la distancia de la Tierra a la Luna, casi 400.000 kilómetros, esto equivaldría a una desviación máxima permitida de dos metros. Esta capacidad solo fue posible gracias a un sistema de litografía por haz de electrones, disponible en el departamento, adquirido con fondos de la Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) y la TU Berlín, que los investigadores deben adaptar en un proceso complejo a su tarea.

Aplicaciones en centros de datos, conducción autónoma y computación óptica

Además de su uso en centros de datos para la eficiente acoplamiento de señales en líneas de fibra óptica, los microláseres también podrían emplearse en el método conocido como LIDAR (Light Detection and Ranging), que mide distancias mediante haces láser y que desempeña un papel importante en la conducción autónoma. Aquí, arreglos con diodos láser de diferentes longitudes de onda — como los que se pueden fabricar fácilmente con el nuevo método — ofrecen una resolución mucho mejor.

Los nuevos diodos VCSEL también podrían ser un componente clave para el hardware de la llamada computación neuromórfica con procesadores ópticos, que el grupo de Stephan Reitzenstein desarrolla junto con colegas en las universidades de Berkeley y MIT en Boston. Estos ordenadores están diseñados de manera análoga al cerebro humano y funcionan, en lugar de con circuitos eléctricos, con componentes ópticos y luz como portadora de información. La mayoría de estas configuraciones utilizan un arreglo de varios diodos láser en el chip óptico. "Es importante que la longitud de onda de la luz de los diodos láser sea exactamente la misma. Incluso pequeñas desviaciones en la fabricación pueden dar lugar a diferentes longitudes de onda", explica Stephan Reitzenstein. Con el nuevo método, sería posible medir las longitudes de onda tras la producción del chip óptico y ajustarlas exactamente mediante estructuras de rejilla grabadas posteriormente.

Hacia un diodo láser ultracompacto

También para la investigación básica, los nuevos microláseres son interesantes, ya que por casualidad los investigadores del grupo de trabajo en cooperación en Polonia lograron, por primera vez en diodos VCSEL convencionales, realizar el estado cuántico exótico de un "condensado de Bose-Einstein" con partículas de luz. Este fenómeno ahora puede ser estudiado con mayor precisión gracias a los nuevos diodos láser, que son más fáciles de ajustar.

"El siguiente paso será reemplazar también las capas reflectantes inferiores de los nuevos diodos VCSEL por una segunda rejilla", dice Reitzenstein. Esto haría que el componente fuera aún más compacto y rápido de fabricar. "Sin embargo, esta tarea es mucho más compleja, ya que entonces el material portador del diodo en la parte inferior debe ser removido". Desde el punto de vista de Stephan Reitzenstein, el nuevo "Centro de Investigación en Fotónica Integrada" (CIPHOR), que será una parte central del nuevo edificio de física experimental en el campus este de la TU Berlín a partir de 2028, tiene una importancia especial. Este centro, equipado con salas limpias de excelente nivel, abrirá nuevas posibilidades de fabricación.