Учёные из колледжа инженерии Грейнджера при Университете Иллинойса в Урбане-Шампейне впервые сообщили о лазерной генерации с фотонной накачкой от поверхностно-излучающего лазера с заглублённым диэлектрическим фотонным кристаллом, работающего при комнатной температуре и безопасной для глаз длине волны. Их выводы, опубликованные в [IEEE Photonics Journal][1], совершенствуют существующие конструкции лазеров и открывают новые возможности для оборонных приложений.
На протяжении десятилетий лаборатория Кента Чокетта, профессора электротехники и вычислительной техники, изучала VCSEL — тип поверхностно-излучающих лазеров, используемых в таких распространённых технологиях, как смартфоны, лазерные принтеры, сканеры штрихкодов и даже транспортные средства. Но в начале 2020 года лаборатория Чокетта заинтересовалась новаторскими исследованиями японской группы, которая представила новый тип лазера — поверхностно-излучающие лазеры с фотонным кристаллом (PCSEL).
PCSEL — это новое направление в области полупроводниковых лазеров, в которых для получения лазерного излучения с высокими характеристиками, такими как высокая яркость и узкие круглые размеры пятна, используется слой фотонного кристалла. Этот тип лазера полезен для оборонных приложений, таких как LiDAR — технология дистанционного зондирования, используемая для картографирования поля боя, навигации и отслеживания целей.
При поддержке Исследовательской лаборатории ВВС группа Чокетта хотела изучить эту новую технологию и внести свой вклад в её развитие.
«Мы считаем, что PCSEL будут чрезвычайно важны в будущем, — сказала Эрин Рафтери, аспирантка кафедры электротехники и вычислительной техники и ведущий автор статьи. — Они просто ещё не достигли промышленной зрелости, и мы хотели внести свой вклад в это».
Обычно PCSEL изготавливают с использованием воздушных отверстий, которые встраиваются внутрь устройства после того, как полупроводниковый материал отрастает по периметру. Однако атомы полупроводника имеют свойство перестраиваться и заполнять эти отверстия, нарушая целостность и однородность структуры фотонного кристалла.
Чтобы решить эту проблему, инженеры из колледжа Грейнджера в Иллинойсе заменили воздушные отверстия твёрдым диэлектрическим материалом, чтобы предотвратить деформацию фотонного кристалла во время отрастания. Внедрив диоксид кремния внутрь полупроводникового отрастания в качестве части слоя фотонного кристалла, исследователи смогли продемонстрировать первую концепцию конструкции PCSEL с заглублёнными диэлектрическими элементами.
«В первый раз, когда мы попытались отрастить диэлектрик, мы не знали, возможно ли это вообще, — сказала Рафтери. — В идеале для роста полупроводников вы хотите сохранить эту очень чистую кристаллическую структуру на всём протяжении от базового слоя, что труднодостижимо с аморфным материалом, таким как диоксид кремния. Но мы действительно смогли отрастить материал вбок вокруг диэлектрика и объединиться сверху».
Представители отрасли ожидают, что в ближайшие 20 лет эти новые и усовершенствованные лазеры будут использоваться в автономных транспортных средствах, лазерной резке, сварке и космической связи. Тем временем инженеры из Иллинойса будут совершенствовать свою текущую конструкцию, воссоздавая то же устройство с электрическими контактами, позволяющими подключить лазер к источнику питания.
«Для достижения этого результата необходим был объединённый опыт Эрин и членов группы Минджу Ларри Ли, а также возможности и опыт Исследовательской лаборатории ВВС на базе ВВС Райт-Паттерсон», — сказал Чокетт. «Мы с нетерпением ждём работы диода PCSEL».
[1]: https://ieeexplore.ieee.org/document/10965337
Предоставлено колледжем инженерии Грейнджера Университета Иллинойса