Nuovo microlaser per applicazioni e ricerca

Rappresentazione schematica di un microlaser con reticolo superficiale strutturato con precisione nanometrica. Il laser a semiconduttore compatto produce un raggio di luce diretto con un profilo di fascio esattamente adattato all'applicazione specifica.

Attraverso lo spessore delle barre nella griglia di linee, le loro distanze e la profondità delle scanalature si può regolare la lunghezza d'onda dei raggi laser. Sotto la griglia di linee si vedono pochi specchi di Bragg sopra lo strato attivo (grigio chiaro), dove si genera la radiazione. Sotto ci sono molti strati di rivestimenti a specchio di Bragg. (Immagine al microscopio elettronico)

Struttura schematica del nuovo microlaser con lo strato inferiore di coppie di specchi di Bragg (DBR), lo strato attivo in rosso, i pochi strati di coppie di specchi di Bragg sopra (DBR) e la griglia di linee (MHCG).

Un innovativo concetto di micro laser basato sui cosiddetti emettitori di superficie (VCSEL) è stato sviluppato dal dipartimento di "Optoelettronica e dispositivi quantistici" della TU Berlino sotto la guida del Prof. Dr. Stephan Reitzenstein. I nuovi micro laser sono dispositivi laser verticali, in cui gli strati riflettenti superiori, per lo più, sono stati sostituiti da una griglia ottica incisa nel materiale semiconduttore. In questo modo, da un lato, è stato possibile ridurre quasi della metà i tempi di produzione dei diodi laser. Dall’altro, con l’incisione di una griglia ottica, si dispone di una tecnica che permette di produrre in un singolo passaggio molte diode con lunghezze d’onda laser diverse. I risultati sono stati ottenuti in collaborazione con ricercatori dell’Università di Łódź (Polonia) e sono ora pubblicati sulla rivista specializzata "Optica".

Sono già in uso da oltre due decenni: diodi laser che emettono la loro luce perpendicolarmente alla superficie del chip di semiconduttore in cui si trovano. Questi "VCSEL" (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) possono, a differenza dei diodi laser in cui la luce esce da una superficie laterale, collegare molto bene il raggio laser a un fibra ottica. La ragione di ciò è la geometria rotonda con una piccola dimensione, oltre a una buona qualità del fascio e capacità di messa a fuoco. Per questo motivo, i VCSEL vengono utilizzati, ad esempio, nei grandi data center, dove consentono un’efficiente trasmissione di informazioni tra singoli server. Vengono anche impiegati nei telefoni cellulari per il riconoscimento facciale.

Risparmio di tempo per la produzione industriale

"Un VCSEL è sostanzialmente costituito da uno strato attivo, dove si generano le particelle di luce, e da sopra e sotto da strati di cosiddetti specchi di Bragg. Questi riflettono la luce più volte indietro nello strato attivo, stimolando la formazione di ulteriori particelle di luce. Questo è l’effetto laser tipico, che porta a un’oscillazione perfetta in fase di tutti i raggi luminosi alla fine", spiega Stephan Reitzenstein. "Gli strati riflettenti superiori riflettono leggermente meno la luce laser. In questo modo, una parte del raggio laser può uscire e essere utilizzata."

I ricercatori hanno ora sostituito gran parte degli strati riflettenti superiori con una sottile griglia di linee, incisa nel materiale semiconduttore tramite un processo litografico. La diffrazione delle onde luminose sulla griglia e la loro successiva sovrapposizione possono produrre effetti simili a quelli delle complesse strutture di specchi, ma con un processo di produzione molto più rapido ed economico. "La grande differenza è che, invece di dover depositare tanti strati di semiconduttore uno dopo l’altro, che richiedono circa dodici ore e sono costosi, con la griglia risparmiamo circa la metà di questo tempo", spiega Niels Heermeier, primo autore dello studio. Questo risparmio di tempo e costi è un fattore importante per la produzione industriale.

Produzione simultanea di diversi diodi laser in un singolo passaggio

"Il vantaggio ancora più importante della griglia di linee è che permette di produrre contemporaneamente, in un singolo passaggio, diodi laser con lunghezze d’onda di uscita diverse su un wafer di semiconduttore", spiega Heermeier. Per farlo, nel processo di incisione vengono variati diversi parametri geometrici della griglia a seconda del diodo: lo spessore delle barre della griglia, la distanza tra di esse e la profondità delle scanalature incise tra di esse. "Questa flessibilità non è possibile con la deposizione degli strati riflettenti, che devono essere uniformi su tutto il wafer, fissando così le caratteristiche di tutti i diodi laser."

Per poter realizzare con precisione i nuovi micro laser con le loro caratteristiche individuali, è necessaria un’accuratezza estrema: le dimensioni possono discostarsi dal valore desiderato di meno di cinque nanometri. Rispetto alla distanza tra la Terra e la Luna, di quasi 400.000 chilometri, ciò corrisponde a una deviazione massima consentita di due metri. Questa prestazione è stata resa possibile solo grazie a un sistema di litografia a fascio di elettroni, presente nel dipartimento, acquistato con fondi della Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) e della TU Berlino, che deve essere adattato in modo complesso per il suo compito specifico.

Applicazioni per data center, guida autonoma e computer ottici

Oltre all’impiego nei data center per il collegamento efficiente di segnali nelle reti in fibra ottica, i micro laser potrebbero essere utilizzati anche nel cosiddetto metodo LIDAR (Light Detection and Ranging), che misura le distanze con raggi laser e svolge un ruolo importante, ad esempio, nella guida autonoma. Qui, dispositivi con diodi laser di diverse lunghezze d’onda — come quelli facilmente prodotti con il nuovo metodo — offrono una risoluzione molto migliore.

Le nuove diode VCSEL potrebbero anche diventare un componente fondamentale dell’hardware del cosiddetto calcolo neuromorfico con processori ottici, sviluppato dal gruppo di Stephan Reitzenstein in collaborazione con colleghi delle università di Berkeley e MIT a Boston. Questi computer sono strutturati in modo analogo al cervello umano e funzionano, invece di circuiti elettrici, con componenti ottici e luce come vettore di informazione. Di solito, questa luce proviene da un insieme di più diodi laser sul chip ottico. "È importante che la lunghezza d’onda della luce dei diodi laser sia esattamente uguale. Anche le più piccole variazioni nella produzione possono portare a lunghezze d’onda diverse", spiega Reitzenstein. Con il nuovo metodo, sarebbe possibile misurare le lunghezze d’onda dopo la produzione del chip ottico e, successivamente, allinearle con precisione tramite strutture di griglia incise successivamente.

Verso un laser di dimensioni ultracompatte

Anche per la ricerca di base, i nuovi micro laser sono interessanti, poiché grazie a un caso fortuito, i ricercatori del gruppo collaborativo in Polonia sono riusciti a realizzare per la prima volta in diodi VCSEL convenzionali lo stato quantistico esotico di un " condensato di Bose-Einstein" con particelle di luce. Questo fenomeno può ora essere studiato più precisamente con i nuovi diodi laser più facili da regolare.

"Il prossimo passo sarà sostituire anche gli strati riflettenti inferiori dei nuovi diodi VCSEL con una seconda griglia di linee", dice Reitzenstein. "In questo modo, il componente sarebbe ancora più compatto e più rapido da produrre. Tuttavia, questa operazione è molto più complessa, perché il materiale di supporto del diodo deve essere rimosso sul lato inferiore." Dal punto di vista di Stephan Reitzenstein, il nuovo "Center for Integrated Photonics Research" (CIPHOR), come parte centrale del nuovo edificio di fisica sperimentale sul campus est orientale della TU Berlino, assume un’importanza speciale. Questo sarà realizzato a partire dal 2028 e aprirà nuove possibilità di produzione grazie a camere bianche di alta qualità.