Laser met onregelmatig patroon houdt toch strakke lichtbundel vast

Een laser lijkt gebaat bij een strak, herhalend patroon om een zuivere lichtbundel te maken. Onderzoekers van de University of Illinois Urbana-Champaign (UIUC) laten nu zien dat het ook zonder kan. Ze bouwden een fotonisch kristal met een onregelmatig, quasi-periodiek patroon in plaats van de gebruikelijke vaste rooosterstructuur. Het resultaat: een laser die bij kamertemperatuur licht uitzendt op een golflengte van 1,5 micrometer, in één zuivere lichtmodus. Dat laatste heet single-mode lasing en is belangrijk omdat het licht dan precies en voorspelbaar de laser verlaat, zonder storende bijmodi.

Waarom het vaste patroon een probleem is

De laser die de onderzoekers gebruikten heet een photonic-crystal surface-emitting laser, kortweg PCSEL. Dit type laser verspreidt licht over een groot oppervlak en stuurt een deel daarvan recht naar boven de chip uit. Dat maakt een smalle, goed gerichte bundel mogelijk, precies wat nodig is bij toepassingen als sensing, satellietcommunicatie en defensiesystemen. Al twintig jaar geldt de PCSEL als veelbelovend voor dit soort precisietoepassingen. Het probleem zit in de fabricage: het patroon van gaatjes in het materiaal moet extreem nauwkeurig herhaald worden. Verander je de vorm of afstand tussen de gaatjes, dan wordt de chip lastiger te maken. Bovendien kunnen de kleine structuren vervormen tijdens de epitaxiale groei, de stap waarin een nieuwe kristallaag over het patroon heen groeit.

Van vast rooster naar flexibel patroon

Het UIUC-team loste dat probleem eerder al deels op met een zogeheten buried-dielectric platform: in plaats van gaatjes rechtstreeks in de halfgeleider te etsen, patroonden ze eerst een laagje siliciumdioxide en bedekten dat vervolgens met halfgeleidermateriaal. Omdat het patroon zo verborgen ligt onder een beschermende laag, blijft de vorm beter intact tijdens fabricage. In deze nieuwe studie testten de onderzoekers of ditzelfde platform ook een niet-herhalend patroon aankan. Geïnspireerd door topologisch beschermde structuren – patronen die hun eigenschappen behouden ondanks kleine verstoringen – ontwierpen ze een quasi-periodieke rangschikking van piepkleine siliciumdioxide-structuren in halfgeleidermateriaal. "We laten zien dat we een niet-periodiek patroon kunnen gebruiken en meer vrijheid hebben om het af te stellen. Het is een andere manier om de brekingsindex te sturen en zo de eigenschappen te krijgen die we willen van onze lasers", aldus promovenda Erin Raftery, een van de auteurs.

Nog geen kant-en-klare chip

De laser werd nog niet elektrisch aangedreven maar optisch gepompt: een externe lichtbron leverde de energie voor het lasereffect. Dat maakt het apparaat vooralsnog een proof of concept en geen praktisch bruikbare diodelaser. Toch ziet hoogleraar Kent Choquette, medeauteur van de studie, potentie. "Nu kun je maar één type structuur tegelijk laten groeien, terwijl wij kunnen mixen en matchen op hetzelfde substraat. Dat kan leiden tot betrouwbaardere, beter presterende lasers", zegt hij. Mogelijke toepassingen liggen bij compacte sensorsystemen en silicon-photonics lidar. De volgende stap voor het team is een elektrisch aangedreven versie. "We hebben de natuurkunde aangetoond. Nu moeten we een praktisch apparaat laten zien", aldus Choquette. De studie is gepubliceerd in het vakblad Applied Physics Letters.