Os engenheiros de Berkeley criaram um novo tipo de laser semicondutor que cumpre um objetivo indescritível no campo da óptica:a capacidade de manter um único modo de luz emitida, mantendo a capacidade de aumentar em tamanho e potência. É uma conquista que significa que o tamanho não precisa prejudicar a coerência, permitindo que os lasers sejam mais potentes e cubram distâncias maiores para muitas aplicações.
Uma equipe de pesquisa liderada por Boubacar Kanté, Chenming Hu Professor Associado no Departamento de Engenharia Elétrica e Ciências da Computação (EECS) da UC Berkeley e cientista do corpo docente da Divisão de Ciências dos Materiais do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), mostrou que uma membrana semicondutora perfurou com furos uniformemente espaçados e do mesmo tamanho funcionou como uma cavidade de laser escalável perfeita. Eles demonstraram que o laser emite um único comprimento de onda consistente, independentemente do tamanho da cavidade.

Os pesquisadores descreveram sua invenção, apelidada de Berkeley Surface Emitting Lasers (BerkSELs), em um estudo publicado na quarta-feira, 29 de junho, na revista Nature .

"Aumentar o tamanho e a potência de um laser monomodo tem sido um desafio na óptica desde que o primeiro laser foi construído em 1960", disse Kanté. "Seis décadas depois, mostramos que é possível obter essas duas qualidades em um laser. Considero este o artigo mais importante que meu grupo publicou até hoje."

Apesar da vasta gama de aplicações introduzidas pela invenção do laser - de ferramentas cirúrgicas a scanners de código de barras e gravação de precisão - tem havido um limite persistente com o qual os pesquisadores em óptica tiveram que lidar. A luz direcional coerente e de comprimento de onda único que é uma característica definidora de um laser começa a se decompor à medida que o tamanho da cavidade do laser aumenta. A solução padrão é usar mecanismos externos, como um guia de ondas, para amplificar o feixe.

"Usar outro meio para amplificar a luz do laser ocupa muito espaço", disse Kanté. "Ao eliminar a necessidade de amplificação externa, podemos diminuir o tamanho e aumentar a eficiência dos chips de computador e outros componentes que dependem de lasers."

Os resultados do estudo são particularmente relevantes para lasers de emissão de superfície de cavidade vertical, ou VCSELs, nos quais a luz do laser é emitida verticalmente para fora do chip. Esses lasers são usados ​​em uma ampla gama de aplicações, incluindo comunicações de fibra óptica, mouses de computador, impressoras a laser e sistemas de identificação biométrica.

Os VCSELs são tipicamente minúsculos, medindo alguns mícrons de largura. A estratégia atual usada para aumentar seu poder é agrupar centenas de VCSELs individuais. Como os lasers são independentes, sua fase e comprimento de onda diferem, de modo que sua potência não se combina de forma coerente.

"Isso pode ser tolerado para aplicações como reconhecimento facial, mas não é aceitável quando a precisão é crítica, como em comunicações ou para cirurgia", disse o co-autor do estudo Rushin Contractor, Ph.D. da EECS. aluna.

Kanté compara a eficiência e a potência extras possibilitadas pelo laser monomodo da BerkSEL a uma multidão de pessoas fazendo um ônibus parado para se mover. O laser multimodo é semelhante a pessoas empurrando em direções diferentes, disse ele. Não só seria menos eficaz, mas também poderia ser contraproducente se as pessoas estivessem empurrando em direções opostas. O laser monomodo em BerkSELs é comparável a cada pessoa na multidão empurrando o ônibus na mesma direção. Isso é muito mais eficiente do que o que é feito nos lasers existentes, onde apenas parte da multidão contribui para empurrar o ônibus.

O estudo descobriu que o design da BerkSEL permitiu a emissão de luz de modo único devido à física da luz que passa pelos orifícios da membrana, uma camada de 200 nanômetros de fosfeto de arseneto de índio e gálio, um semicondutor comumente usado em fibras ópticas e tecnologia de telecomunicações. Os furos, que foram gravados usando litografia, tinham que ter um tamanho, forma e distância fixos.

Os pesquisadores explicaram que os buracos periódicos na membrana se tornaram pontos de Dirac, uma característica topológica de materiais bidimensionais baseada na dispersão linear de energia. Eles têm o nome do físico inglês e ganhador do Nobel Paul Dirac, conhecido por suas primeiras contribuições à mecânica quântica e à eletrodinâmica quântica.

Os pesquisadores apontam que a fase da luz que se propaga de um ponto ao outro é igual ao índice de refração multiplicado pela distância percorrida. Como o índice de refração é zero no ponto de Dirac, a luz emitida por diferentes partes do semicondutor está exatamente em fase e, portanto, opticamente a mesma.

"A membrana em nosso estudo tinha cerca de 3.000 buracos, mas teoricamente, poderia ter sido 1 milhão ou 1 bilhão de buracos, e o resultado teria sido o mesmo", disse o co-autor principal do estudo, Walid Redjem, pesquisador de pós-doutorado da EECS.

Os pesquisadores usaram um laser pulsado de alta energia para bombear opticamente e fornecer energia aos dispositivos BerkSEL. Eles mediram a emissão de cada abertura usando um microscópio confocal otimizado para espectroscopia no infravermelho próximo.

O material semicondutor e as dimensões da estrutura utilizadas neste estudo foram selecionados para possibilitar o laser no comprimento de onda das telecomunicações. Os autores observaram que os BerkSELs podem emitir diferentes comprimentos de onda alvo adaptando as especificações do projeto, como tamanho do furo e material semicondutor.

Outros autores do estudo são Wanwoo Noh, co-autor principal que obteve seu Ph.D. licenciatura em EECS em maio de 2022; Wayesh Qarony, Scott Dhuey e Adam Schwartzberg do Berkeley Lab; e Emma Martin, Ph.D. estudante do EECS. + Explorar mais

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