Új mikrolézer alkalmazásra és kutatásra

Sémás ábra egy nanométer pontossággal strukturált felületi rácsos mikrolámpáról. A kompakt félvezető lézer irányított fénynyalábot hoz létre, amely pontosan az adott alkalmazáshoz igazított sugárprofilú.

A rácsávonalak vastagsága, azok távolsága, valamint a hornyok mélysége lehetővé teszi a lézerfény hullámhosszának beállítását. A rácsávonalak alatt láthatók a néhány Bragg-mirror a aktív réteg felett (világosszürke), ahol a sugárzás keletkezik. Alatta nagyon sok Bragg-mirror réteget találunk. (Elektronsokfényt mikroszkóppal készült felvétel)

Sématikus felépítés az új mikrolaserhez, az alsó réteggel Bragg-tükrök párjából (DBR), a vörös színű aktív réteggel, a néhány rétegből álló Bragg-tükrök párjával felette (DBR), és a vonalrács (MHCG).

Az úgynevezett felületi emitters (VCSEL) alapú innovatív mikrolézer-koncepciót a Berlin Műszaki Egyetem „Optoelektronika és Kvantumépítő Elemei” szakterülete, Prof. Dr. Stephan Reitzenstein vezetésével fejlesztette ki. Az új mikrolézerek vertikálisan felépített lézerdiódák, amelyeknél a felső, fényt tükröző rétegek nagy részét egy félvezető anyagba ágyazott optikai rács helyettesíti. Ezzel egyrészt lehetővé vált a lézerdiódák gyártási folyamatának majdnem felére csökkentése. Másrészt az optikai rács beágyazásával egy olyan eljárás áll rendelkezésre, amely egy gyártási lépésben sok különböző lézerhullámhosszal rendelkező diódát tud előállítani. Az eredményeket a lengyelországi Łódźi Egyetem kutatóival együttműködve érték el, és most az „Optica” szaklapban jelentek meg.

Ez már több mint két évtized óta alkalmazásban van: lézerdiódák, amelyek a fényt merőlegesen sugározzák ki a félvezetőchipekről, amelyekben találhatók. Ezeket az ún. „VCSEL” (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) lézereket, ellentétben a oldalirányból kijövő lézerdiódákkal, kiválóan lehet bevezetni a fényhídba. Ennek oka a kerek geometria, a kis méret, valamint a jó sugárminőség és fókuszálhatóság. Ezért például nagy adatközpontokban használják őket, ahol hatékony információátvitelt tesznek lehetővé az egyes szerverek között. Mobiltelefonokban is alkalmazzák az arcfelismeréshez.

Időmegtakarítás az ipari gyártásban

„Egy VCSEL lényegében egy aktív rétegből áll, ahol a fényrészecskék keletkeznek, valamint felette és alatta ún. Bragg-tükrök rétegeiből. Ezek többször visszatükrözik a fényt az aktív rétegbe, hogy ott további fényrészecskék keletkezését serkentsék. Ez a tipikus lézerhatás eredményezi, hogy végül minden sugár tökéletesen szinkronban vibrál” – magyarázza Reitzenstein. „A felső tükrözőrétegek kissé kevésbé tükrözik a lézerfényt. Így egy része a lézersugárnak kijöhet és felhasználható.”

A kutatók most a felső tükrözőrétegek nagy részét finom vonalrácsra cserélték, amit litográfiai eljárással vágtak a félvezető anyagba. A fényhullámok rácson való törése és azok későbbi összegzése hasonló hatásokat eredményez, mint a bonyolult módon gyártott tükrözőrétegek esetében. „A nagy különbség az, hogy nem kell több félvezető réteget egymás után felvinni. Ez egy hosszadalmas és drága folyamat, amely körülbelül tizenkét órát vesz igénybe. A rács alkalmazásával ebből körülbelül a felét megspóroljuk” – magyarázza Heermeier, a tanulmány első szerzője. Ez az idő- és költségmegtakarítás fontos tényező az ipari gyártásban.

Különböző lézerdiódák egy gyártási lépésben

„A vonalas rács még fontosabb előnye, hogy ebben a gyártási lépésben egyszerre több különböző hullámhosszú lézerdióda készíthető egy félvezetőlapra” – magyarázza Heermeier. Ehhez az etzési eljárás során a vonalas rács több geometriai paraméterét változtatják a dióda szerint: a rácsgerendák vastagságát, távolságukat egymástól, valamint az összeszánt rács közötti mélységet. „Ezt a rugalmasságot nem tudtuk megvalósítani a tükrözőrétegek felvitelénél, mert azoknak az egész lapra kell felkerülniük, és így egységes tulajdonságokat határoznak meg minden lézerdiódának.”

Az új mikrolézerek pontos gyártásához rendkívül nagy pontosság szükséges: a méretek nem térhetnek el a kívánt értéktől öt nanométernél többel. Ez a távolság a Föld és a Hold közötti majdnem 400 000 kilométeres távolsághoz képest mindössze két méteres maximális eltérést jelentene. Ezt a teljesítményt csak egy, a szakterületen rendelkezésre álló, a Német Kutatási Közösség (DFG) és a Berlin Műszaki Egyetem által beszerzett elektronnyaláb-litográfiai berendezés tette lehetővé, amelyet a kutatók egy összetett folyamat során kell, hogy a feladathoz igazítsanak.

Alkalmazás adatközpontokban, önvezető járművekben és optikai számítógépekben

Az adatközpontokban a hatékony jelátvitelhez való alkalmazás mellett a mikrolézerek a „LIDAR” (fényalapú távolságmérés) eljárásban is felhasználhatók, amely a lézersugarak segítségével méri a távolságokat, és például az önvezető járművekben játszik fontos szerepet. Itt a különböző hullámhosszú lézerdiódák elrendezése – amelyeket az új eljárással könnyen elő lehet állítani – lényegesen jobb felbontást biztosít.

Az új VCSEL-diódák szintén fontos alkotóelemei lehetnek a neuromorfológiai számítások hardverének, amelyeket Stephan Reitzenstein csoportja a Berkeley-i és a Boston-i MIT egyetemeken fejleszt kollégáival. Ezek a számítógépek az emberi agyhoz hasonlóan épülnek fel, és nem elektromos áramkörökkel, hanem optikai elemekkel és fényekkel dolgoznak, mint információhordozók. Gyakran több lézerdióda elrendezése adja a fényt az optikai chipeken. „Fontos, hogy a lézerdiódák hullámhossza pontosan egyezzen meg. Még a gyártás során bekövetkező apró eltérések is különböző hullámhosszakat eredményezhetnek” – magyarázza Reitzenstein. Az új módszerrel a gyártás után lehetőség nyílik a hullámhosszok utólagos mérésére és a rácsstruktúrák pontos összehangolására.

Az ultrakompakt lézerdióda felé vezető út

Az alapkutatás számára is érdekesek az új mikrolézerek, mivel véletlen folytán a lengyelországi kutatócsoport a hagyományos VCSEL-diódákban elsőként valósította meg a „Bose-Einstein-kondenzátum” egzotikus kvantumállapotát fényrészecskékkel. Ez a jelenség a mostani, egyszerűbben beállítható lézerdiódákkal pontosabban vizsgálható lesz.

„A következő lépés az lesz, hogy a két alsó tükrözőréteget is egy második vonalas rácsra cseréljük” – mondja Reitzenstein. Ez a komponens még kompaktabbá és gyorsabban gyárthatóvá válna. „Ez a feladat azonban lényegesen összetettebb, mert a dióda hordozóanyagát az alsó részen el kell távolítani.” Reitzenstein szerint ezért különösen fontos szerepe lesz az új „Center for Integrated Photonics Research” (CIPHOR) intézménynek, amely a Berlin keleti campusán épülő új kísérleti fizikai épület egyik központi része lesz 2028-tól. Ez a létesítmény kiváló felszereltségű tisztaterekkel nyit új gyártási lehetőségeket.