Amerikaanse onderzoekers bouwen laser met onregelmatig lichtpatroon

Een team van de University of Illinois Urbana-Champaign heeft een nieuw soort halfgeleiderlaser ontwikkeld die afwijkt van het gangbare ontwerp. Normaal gesproken bevatten zogeheten photonic-crystal surface-emitting lasers (PCSEL's) een kristalstructuur die zich telkens op dezelfde manier herhaalt over het hele oppervlak van de chip. Het nieuwe ontwerp, een quasi-periodieke PCSEL of QPCSEL, breekt met dat repeterende patroon en opent daarmee de deur naar lasers die makkelijker op maat te maken zijn.

Waarom een herhalend patroon een probleem is

PCSEL's worden al twintig jaar onderzocht omdat ze sterk, gebundeld licht kunnen uitzenden loodrecht op het chipoppervlak. Dat maakt ze aantrekkelijk voor toepassingen in de lucht- en ruimtevaart en defensie, waar betrouwbare en nauwkeurige lasers onmisbaar zijn. Het probleem is dat de prestaties van zo'n laser sterk afhangen van de precieze geometrie van het herhalende kristalpatroon. Elke keer dat onderzoekers een laser met andere eigenschappen willen maken, moeten ze in feite een compleet nieuw patroon ontwerpen en fabriceren. Dat maakt het lastig om snel te experimenteren of om verschillende laserontwerpen op één en dezelfde chip te combineren.

Een niet-herhalend patroon als oplossing

Promovenda Erin Raftery, onderdeel van de onderzoeksgroep van hoogleraar elektrotechniek Kent Choquette, ging op zoek naar een manier om dat periodieke patroon juist niet-periodiek te maken. Ze liet zich inspireren door onderzoek naar zogeheten topologisch beschermde patronen, structuren die ondanks hun onregelmatigheid stabiel blijven. Raftery combineerde dit idee met een methode die de groep in 2025 al had gedemonstreerd: een 'buried dielectric platform', waarbij niet verticaal in het materiaal wordt geëtst, maar een laag siliciumdioxide wordt bewerkt en vervolgens bedekt met een nieuwe halfgeleiderlaag. Zo raakt het patroon volledig ingebed in de chip.

Het resultaat is een laser die bij kamertemperatuur werkt, ondanks het deels onregelmatige patroon. Voor de onderzoekers is dat een belangrijk signaal: het bewijst dat een niet-herhalend ontwerp net zo goed kan functioneren als de klassieke variant, maar dan met veel meer ontwerpvrijheid.

Meer flexibiliteit voor toekomstige chips

Volgens Choquette is het grootste voordeel dat er niet langer één vast patroon per chip nodig is. "Nu kun je maar één soort structuur tegelijk laten groeien, terwijl wij verschillende ontwerpen op hetzelfde substraat kunnen mengen", aldus de hoogleraar. Dat zou moeten leiden tot lasers die zowel betrouwbaarder zijn als beter presteren, omdat fabrikanten niet meer vastzitten aan één rigide geometrie.

De volgende stap voor de groep is het bouwen van een elektrisch aangedreven versie van de laser, een zogeheten diode. Dat is een grotere technische uitdaging, maar wel de stap die nodig is om de technologie ooit commercieel bruikbaar te maken. "We hebben de natuurkunde aangetoond", zegt Choquette. "Nu moeten we een praktisch apparaat laten zien." Het onderzoek is gepubliceerd in Applied Physics Letters.