Nowy mikrolaser do zastosowań i badań

Schematyczny rysunek mikrolasera z nanometrowo precyzyjnie strukturalnym powierzchniowym siatką. Kompaktowy laser półprzewodnikowy generuje skierowany wiązkę światła o profilu dostosowanym dokładnie do danej aplikacji.

Przez grubość belek w siatce kreskowej, ich odstępy oraz głębokość rowków można regulować długość fali promieniowania laserowego. Pod siatką kreskową widać niewielką liczbę zwierciadeł Bragga powyżej warstwy aktywnej (jasnoszara), w której powstaje promieniowanie. Poniżej znajduje się bardzo wiele warstw warstw zwierciadeł Bragga. (Zdjęcie z mikroskopu elektronowego)

Schematyczna budowa nowego mikrolaseru z dolną warstwą par odwracalnych Bragga (DBR), warstwą aktywną na czerwono, niewielką ilością warstw par odwracalnych Bragga powyżej (DBR) oraz siatką dyfrakcyjną (MHCG).

Innowacyjny koncepcja mikrolasera oparta na tak zwanych emiterach powierzchniowych (VCSEL) została opracowana przez dziedzinę „Optoelektronika i elementy kwantowe” na TU Berlin pod kierownictwem prof. dr. Stephana Reitzensteina. Nowe mikrolasery to diody laserowe zbudowane pionowo, w których górne, odbijające światło warstwy zostały w dużej mierze zastąpione przez optyczną siatkę wytworzoną w materiale półprzewodnikowym. W ten sposób udało się po pierwsze skrócić prawie o połowę czas produkcji diod laserowych. Po drugie, dzięki wstawieniu optycznej siatki, dostępna jest metoda, która w jednym kroku produkcyjnym może wyprodukować wiele diod o różnych długościach fal laserowych. Wyniki te zostały osiągnięte we współpracy z badaczami z Uniwersytetu w Łodzi (Polska) i ukazały się teraz w czasopiśmie „Optica”.

Od ponad dwóch dekad są one już w użyciu: diody laserowe emitujące światło prostopadle do krzemu, na którym się znajdują. Te „VCSEL” (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) mogą, w przeciwieństwie do diod laserowych, z których światło wydobywa się z bocznej powierzchni, bardzo dobrze sprzęgać wiązkę laserową do światłowodu. Powodem tego jest okrągła geometria z małą formą oraz dobra jakość wiązki i jej skupialność. Dlatego VCSEL są używane na przykład w dużych centrach danych, gdzie umożliwiają efektywną transmisję informacji pomiędzy poszczególnymi serwerami. Są także wykorzystywane w telefonach komórkowych do rozpoznawania twarzy.

Oszczędność czasu w produkcji przemysłowej

„VCSEL zasadniczo składa się z warstwy aktywnej, w której powstają cząstki światła, oraz z warstw tak zwanych luster Bragga powyżej i poniżej. Odwzorowują one światło wielokrotnie z powrotem do warstwy aktywnej, aby pobudzać powstawanie kolejnych cząstek światła. To jest typowy efekt lasera, który powoduje, że wiązki światła na końcu drgają w idealnym synchronizmie”, wyjaśnia Stephan Reitzenstein. „Górne warstwy lustrzane odbijają światło laserowe nieznacznie mniej. W ten sposób część wiązki laserowej może wyjść i zostać wykorzystana.”

Badacze zastąpili teraz dużą część górnych warstw lustrzanych drobną siatką prążków, którą wytrawili w materiale półprzewodnikowym za pomocą procesu litograficznego. Dzięki dyfrakcji fal świetlnych na siatce i ich późniejszej nakładce można uzyskać efekty podobne do tych, które dają kosztowne warstwy lustrzane. „Główna różnica polega na tym, że nie musimy już nakładać tylu warstw półprzewodnikowych jedna po drugiej. To jest długi i kosztowny proces, który trwa około dwunastu godzin. Dzięki zastosowaniu siatki oszczędzamy na tym około połowę”, wyjaśnia Niels Heermeier, główny autor badania. Ta oszczędność czasu i kosztów jest istotnym czynnikiem dla przemysłowej produkcji.

Produkcja różnych diod laserowych w jednym kroku produkcyjnym

„Jeszcze ważniejszą zaletą siatki prążków jest to, że w jednym kroku produkcyjnym można jednocześnie wyprodukować diody laserowe o różnych długościach fal wyjściowych na jednym waflu półprzewodnikowym”, wyjaśnia Heermeier. Do tego procesu litograficznego zmienia się kilka parametrów geometrycznych siatki prążków w zależności od diody: grubość prętów siatki, ich odległość od siebie oraz głębokość wytrawionych rowków pomiędzy nimi. „Tą elastyczność mamy przy nakładaniu warstw lustrzanych, ale nie przy ich produkcji, ponieważ muszą one rosnąć na całym waflu i tym samym ustalają jednolite właściwości dla wszystkich diod laserowych.”

Aby precyzyjnie wyprodukować nowe mikrolasery z ich indywidualnymi właściwościami, konieczna jest ekstremalnie wysoka dokładność: rozbieżność od wartości docelowej nie może przekraczać pięciu nanometrów. W porównaniu do odległości Ziemi od Księżyca, wynoszącej prawie 400 000 kilometrów, oznacza to maksymalną dopuszczalną rozbieżność dwóch metrów. Ta wydajność została osiągnięta dzięki obecności w dziedzinie naukowej urządzenia litograficznego z wiązką elektronową, które zostało zakupione za środki niemieckiego funduszu badawczego (DFG) i TU Berlin, i które badacze muszą dostosować do swoich zadań w złożonym procesie.

Zastosowania w centrach danych, autonomicznej jeździe i optycznych komputerach

Oprócz zastosowań w centrach danych do efektywnego sprzęgania sygnałów w światłowodach, mikrolasery mogą być również wykorzystywane w tak zwanej metodzie LIDAR (Light Detection and Ranging), która mierzy odległości za pomocą wiązek laserowych i odgrywa kluczową rolę na przykład w autonomicznej jeździe. Układy z diodami laserowymi różnych długości fal — jak te, które można łatwo wyprodukować nową metodą — zapewniają znacznie lepszą rozdzielczość.

Nowe diody VCSEL mogą również stać się ważnym elementem sprzętu tzw. neuromorficznych komputerów zbudowanych z optycznych procesorów, które grupa Stephana Reitzensteina rozwija wspólnie z kolegami na Uniwersytetach Berkeley i MIT w Bostonie. Te komputery są zbudowane na wzór ludzkiego mózgu i zamiast z układów elektronicznych korzystają z elementów optycznych i światła jako nośnika informacji. Zazwyczaj światło to pochodzi z układu kilku diod laserowych na chipie optycznym. „Ważne jest, aby długości fal światła z diod laserowych były dokładnie takie same. Nawet najmniejsze rozbieżności w produkcji mogą prowadzić do różnych długości fal”, wyjaśnia Stephan Reitzenstein. Nowa metoda umożliwiłaby po produkcji chipu optycznego zmierzenie długości fal i ich dokładne dopasowanie poprzez późniejsze wytrawianie struktur siatki.”

Droga do ultrakompaktowego diody laserowej

Nowe mikrolasery są również interesujące dla podstawowych badań naukowych, ponieważ dzięki przypadkowi badacze z kooperującej grupy w Polsce po raz pierwszy w zwykłych diodach VCSEL zrealizowali egzotyczny stan kwantowy „kondensatu Bosego-Einsteina” z cząstkami światła. Zjawisko to można teraz dokładniej badać za pomocą nowych, łatwiejszych w ustawieniu diod laserowych.

„Kolejnym krokiem będzie zastąpienie dolnych warstw lustrzanych nowych diod VCSEL drugą siatką prążków”, mówi Reitzenstein. „W ten sposób element będzie jeszcze bardziej kompaktowy i szybszy w produkcji. Jednak to zadanie jest znacznie bardziej skomplikowane, ponieważ materiał nośny diody musi zostać usunięty od spodu.” Z punktu widzenia Stephana Reitzensteina, szczególne znaczenie ma nowy „Center for Integrated Photonics Research” (CIPHOR), jako kluczowy element nowego laboratorium fizyki eksperymentalnej na kampusie wschodnim TU Berlin. Powstanie ono od 2028 roku i z nowoczesnymi czystymi pomieszczeniami otworzy nowe możliwości produkcyjne.