Os lasers semicondutores são os lasers mais utilizados devido ao seu tamanho compacto, alta eficiência, baixo custo e amplo espectro. Mas eles sofrem de baixa potência de saída e baixa qualidade de feixe – duas especificações difíceis de melhorar simultaneamente. Por exemplo, embora uma cavidade maior aumente a potência, ela suporta mais modos de laser, o que diminui a qualidade do feixe.
Anteriormente, uma cavidade topológica Dirac-vortex foi demonstrada pelo grupo L01 do Instituto de Física da Academia Chinesa de Ciências (CAS), liderado pelo Prof. Lu Ling. Ele oferece a melhor seleção de modo único na maior área. Este projeto de cavidade foi proposto para superar os gargalos mencionados acima dos lasers semicondutores e simultaneamente melhorar a potência de saída e a qualidade do feixe.

Recentemente, a mesma equipe aplicou sua cavidade topológica a lasers de emissão de superfície e inventou o laser de emissão de superfície de cavidade topológica (TCSEL), cujo desempenho pode exceder em muito o dos equivalentes comerciais.

De acordo com o relatório publicado na Nature Photonics , o TCSEL é capaz de potência de pico de 10 W, divergência de feixe de sub-grau, taxa de supressão de modo lateral de 60 dB e matriz multi-comprimento de onda bidimensional (2D), com laser de 1.550 nm - a comunicação mais importante e o comprimento de onda seguro para os olhos. Ele também pode operar em qualquer outra faixa de comprimento de onda e é promissor para uma grande variedade de aplicações, incluindo LiDAR para reconhecimento de rosto, direção autônoma e realidade virtual.

Os pesquisadores compararam o TCSEL com os produtos industriais padrão de lasers semicondutores de modo único. O laser de emissão de borda de feedback distribuído (DFB) usado na comunicação pela Internet, bem como o laser de emissão de superfície de cavidade vertical (VCSEL), que permite o reconhecimento facial do telefone celular, adotam o modo de intervalo médio em seus projetos de ressonador 1D otimizados. A TCSEL continua este caminho de sucesso ao realizar a versão 2D do modo topológico mid-gap que é mais adequado para o processo planar em chips semicondutores.

O modo único de área grande é um recurso exclusivo do TCSEL, que melhora a (>10 W) e a divergência do feixe (<1°). Em contraste, a saída de DFB comercial é geralmente da ordem de dezenas de mW e a saída de um único VCSEL é de alguns mW; o ângulo de divergência típico da emissão da superfície é de 20° e o feixe do emissor de borda é geralmente pior.

De acordo com o microscópio óptico e imagens de microscopia eletrônica de varredura com um diâmetro de 500 μm, a estrutura de vórtice icônica da cavidade Dirac-vortex pode ser vista claramente. O campo distante do TCSEL é um feixe vetorial com polarizações radiais. É importante ressaltar que uma divergência tão estreita (sub-1°) de TCSEL, sem lentes colimadoras, pode reduzir o tamanho, a complexidade e o custo do sistema em sistemas como o sensoriamento 3D.

Além disso, a flexibilidade do comprimento de onda é outro recurso exclusivo do TCSEL, como a capacidade de obter matrizes monolíticas de vários comprimentos de onda 2D. Em comparação, o VCSEL geralmente carece de sintonização de comprimento de onda, uma vez que a cavidade vertical, determinando o comprimento de onda do laser, é cultivada por epitaxia. Embora o laser DFB possa ajustar o comprimento de onda, ele só pode atingir uma matriz de vários comprimentos de onda 1D para emissão de borda.

Em contraste, o comprimento de onda do TCSEL pode ser ajustado arbitrariamente durante o processo de fabricação planar. Na Fig. 2 (direita), alterando a constante de rede, o comprimento de onda do laser correspondente varia linearmente de 1.512 nm a 1.616 nm. Cada laser na matriz 2D funciona de forma estável em um único modo com uma taxa de supressão de modo lateral superior a 50dB. As matrizes TCSEL 2D de vários comprimentos de onda podem aprimorar potencialmente a tecnologia de multiplexação por divisão de comprimento de onda para aplicações de transmissão de sinal de alta capacidade e detecção multiespectral.

A física topológica tem sido o foco da pesquisa fundamental desde a descoberta do efeito Hall quântico e recebeu três prêmios Nobel de física (1985, 1998, 2016). Embora a robustez topológica possa melhorar significativamente a estabilidade e as especificações do dispositivo, a aplicação da física topológica permanece indefinida. O TCSEL pode fazer a diferença. + Explorar mais

Researchers propose multi-aperture vertical cavity surface emitting lasers of varying size and shape