Revolutionerande lasrar: Justerbar halvledarringteknik

Ett team av forskare från Tekniska universitetet i Wien (TU Wien) och Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har precis presenterat en ny metod för att tillverka justerbara halvledarringlasrar. Dessa avancerade lasrar har potential att möjliggöra högpresterande kommunikation, mer avancerade säkerhetssystem och mycket mer. Här är vad du behöver veta.

Typer av justerbara lasrar och deras fördelar

Det var först sex år efter att Theodore H. Maiman demonstrerade den första lasern med en syntetisk rubinstav som forskare började arbeta med justerbara lasrar. Till skillnad från deras fasta våglängdsföregångare kan de konfigureras för att avge ljus över olika våglängder, vilket gör dem idealiska för precisionsapplikationer som optisk kommunikation och mikroskopi. På så sätt har justerbara lasrar blivit en avgörande komponent i dagens högteknologiska och medicinska områden.

Kategorier av justerbara lasrar: Gas, fiber, OPOs & halvledare

Idag finns det många olika typer av justerbara lasrar, inklusive gaslasrar, fiberlasrar, optiska parametriska oscillatorer (OPOs) och halvledarlasrar. Justerbara halvledarlasrar anses av många vara det mest avancerade alternativet. De erbjuder en kompakt formfaktor, stödjer ett brett våglängdsområde och ger tillräcklig effekt.

Nackdelar med justerbara lasrar

Tekniken för justerbara lasrar har gjort enorma framsteg i kapacitet. Trots detta finns det fortfarande många begränsningar som har hindrat tekniken från att nå sin fulla potential. Till exempel ger justerbara lasrar med breda våglängdsintervall ofta mindre precision. Dessutom har tillverkningskostnaderna för dessa enheter och deras övergripande skörhet setts som hinder för deras utveckling.

Hur man justerar halvledarlasrar

Det finns två huvudmetoder för att skapa och justera halvledarlasrar. Den första metoden kräver att en exakt gitterstruktur läggs till på laserens rygg. Detta gitter skärs i exakta vinklar på nanoskala för att skapa frekvensselektiv optisk återkoppling. Denna konfiguration gör det möjligt för ingenjörer att förstärka en specifik våglängd och minska interferens från andra genom att ändra laserens ström.

Den andra metoden för att justera halvledarlasrar använder en extern kavitets. I denna konfiguration reflekterar ett roterande diffraktionsgitter den exakta våglängden in i kavitets. Kavitets, som exciterar våglängden till en laser, kan justeras genom att rotera den.

Problem med dagens halvledarlasrar

Halvledarlaserfältet har vissa nackdelar som ingenjörer har ägnat många år åt att övervinna. För det första kvarstår balansen mellan precision och räckvidd. Fram till nu kunde du antingen ha en mycket precis enhet eller en som kunde täcka olika våglängder på ett tillfredsställande sätt.
Ett annat problem med halvledarlasrar är att deras prestanda sjunker markant när temperaturen stiger. När en halvledarlaser blir varm förlorar den kraft, effektivitet och kan till och med skadas. Därför har det varit omöjligt att uppnå långsiktig, kontinuerlig hop-fri justering över ett brett spektrum.

Studie om halvledarringlasrar

Genom att erkänna dessa begränsningar satte sig ingenjörer från Harvard och forskare från andra ansedda institutioner för att skapa den första bredspektrala, mycket exakta halvledarlasern. De dokumenterade sin resa i studien “Continuously and widely tunable semiconductor ring lasers” som publicerades i den vetenskapliga tidskriften Optica.
Papperet avslöjar deras arbete med en ny typ av justerbar halvledarlaser som använder en ring-array kvantkaskadlaster (QCL)-arkitektur för att erbjuda smidig justerbarhet samtidigt som den stödjer ett utökat spektralområde. Noterbart är att kvantkaskadlaster är halvledarlasrar som genererar strålar i det fjärrinfraröda spektrat.

Ring-QCL-design: Oberoende, adresserbara arrayer

Teamet påbörjade sitt arbete genom att skapa flera små, oberoende adresserbara ring-QCL:er. Noterbart är att ringlasrar har två ljusstrålar med samma polarisation. Dessa strålar riktas i motsatta riktningar runt en sluten slinga skapad av speglar. Detta tillvägagångssätt möjliggör noggranna mätningar av den minsta rörelsen. Därför återfinns ringlasrar ofta i navigationssystem som gyroskop.

I detta fall skapade forskarna ringlasrarna med aktivt material från kvantkaskadlaster och en torr-etsningsprocess. Dessutom fick varje ring elektriska kontakter samt en bussvågledare. Ingenjörerna noterade att detta tillvägagångssätt gav förbättrad prestanda och minskade optisk förlust i bussvågledaren.

Varje ring utvecklades med en distinkt radie. Användningen av ringar i olika storlekar skapade olika lasningsfrekvenser för varje område. Detta tillvägagångssätt gjorde det möjligt för ingenjörerna att justera varje ring separat utan att uppleva några nedgångar i lasning.

Uppnå enkelmodemission med ringkopplare

Detta unika tillvägagångssätt gjorde det möjligt för ingenjörerna att använda flera ringar tillsammans för att skapa specifik kraft och våglängder. Systemet tillät ingenjörerna att kombinera strålar från varje ring till en enda vågledare via evanescenta riktade kopplare längs raka sektioner av lasrarna. På ett smart sätt förhindrade de riktade kopplarna förstärkningsgitter genom att säkerställa att ljuset bara färdas i en riktning.

Vågledaremission genom facetbaserad design

Teamet noterade att deras laser använder en unik metod för ljusemission. Detta system förlitar sig på en facetutsläppande metod som går genom en bussvågledare. Vågledaren kan användas för att justera och förstärka laserens frekvenser efter behov vid rumstemperatur.

Modulär ringlaserdesign möjliggör skalbarhet

Den modulära designen av denna lasersats innebär att ingenjörer kan skala den för att passa alla behov. Dessutom kan ringlasrarna drivas samtidigt eller i enskilt ringläge. På så sätt ger kombination av lasrar en starkare och mer intensiv stråle, vilket gör den idealisk för vissa högteknologiska tillämpningar.

Test av halvledarringlasrar

Ingenjörerna satte igång för att testa sina teorier i TU Wien’s Center for Micro and Nanostructures rena rum. Här skapade de en lasande enhet med fem ringar, var och en med en distinkt radie. Specifikt varierade ringstorlekarna från 220 till 260 µm.
När enheten var skapad testade teamet olika laseruppsättningar och våglängder. I ett fall kombinerade de justeringsområdet för tre olika ringar för att testa hop-fri justering över breda bandbredder.

Resultat från test av halvledarringlasrar

Testresultaten bekräftade ingenjörernas modeller. Teamet noterade att den enkla ring-QCL:en kunde avge en stråle på upp till 0,5 mW i kontinuerlig vågform vid rumstemperatur. Testet visade också att laserchipet behöll en stabil våglängdsutgång, trots intensiv optisk injektion på laserens facet. Dessa tester demonstrerade att den nya laserdesignen är motståndskraftig under höga nivåer av optisk återkoppling.

Dessutom noterade ingenjörerna att prestandan var jämförbar med flersektionella DFB-lasrar. Denna upptäckt var ett stort milstolpe eftersom det innebär att dessa lasrar kan tillverkas utan att behöva skapa ett unikt gitter längs den aktiva regionen i varje laser.

Specifikt kunde teamet utnyttja de tre laser-ringarna för att smidigt svepa optiska bandbredder från 266 GHz till 395 GHz. Svepningsaktionen var jämn och det fanns minimal spektral överlappning mellan varje ring. Noterbart skapade enheten en anmärkningsvärt stabil stråleproduktion under stora mängder optisk injektion.

Fördelar med halvledarringlasrar

Det finns många fördelar som denna studie kommer att ge till lasermarknaden. För det första har denna design inga rörliga delar och är mycket enklare och billigare att tillverka. Genom att minska kostnaderna för att skapa högkvalitativa lasrar öppnas dörren för fler användningsscenarier och vidare antaganden.

Liten storlek

Enheten har en liten formfaktor som använder ringlasrar som kan skalas upp eller ner för att möta specifika behov. Denna strategi möjliggör finjustering av våglängden och stabil emission. Mindre lasrar kommer att hjälpa till att driva framtida teknologier och bärbara enheter.
Noterbart avger traditionella justerbara lasrar en enda våglängd åt gången. I kontrast möjliggör modulariteten hos ring-array lasrar att flera ringar kan fungera samtidigt och rikta in sig på individuella våglängder genom att använda en annan ringradie.

Minskad återkoppling och förbättrad strålestabilitet

Användningen av flera ringlasrar och enkelriktade kopplare hjälper till att minska bakåtreflexion, vilket hade plågat tidigare laserdesigns. På så sätt kan denna struktur stödja kraftfulla lasrar som kan hantera mer energi för att skapa starkare strålar än deras föregångare kunde producera.

Verkliga tillämpningar av halvledarringlasrar

Det finns flera verkliga tillämpningar för denna teknik. För det första är lasrar en avgörande konkurrensfaktor i många av dagens högteknologiska områden. Att skapa kraftfullare och mer användbara enheter kommer att bidra till att sänka kostnaden för dagens teknologier samtidigt som det driver införandet av innovativa produkter. Här är några andra användningsområden för denna teknik.

Kommunikation

Telekommunikationsindustrin söker alltid efter kraftfullare lasrar. Denna senaste utveckling kan hjälpa till att skapa supernätverk som kan hantera hög hastighetsdatatransmission på en nivå som tidigare var otänkbar. Dessa enheter kan en dag användas för att överföra data över hela universum och hålla rymdresenärer i kontakt med jorden från miljontals mil bort.

Medicinsk

Det medicinska området använder lasrar av många skäl. Från att skanna efter sjukdomar till att korrigera synen, finns det många sätt som dessa lasrar kommer att hjälpa till att förbättra hälsan för miljontals i framtiden. Den mindre storleken samt ökad flexibilitet och noggrannhet kommer att driva en ny generation av automatiserade medicinska tjänster och procedurer.

Säkerhet

Kraftfulla laserskannrar är en väsentlig komponent i flera industrier, inklusive gas- och kemisektorerna. Dessa enheter skannar efter de minsta problem för att förhindra katastrofala fel. Denna teknik kan hjälpa till att upptäcka läckor i gasledningar, infrastrukturförfall och andra kritiska uppgifter som håller befolkningen säker.

Tidslinje för halvledarringlasrar

Halvledarringlasrar kan nå marknaden inom de kommande 5–7 åren. Det finns en omedelbar efterfrågan på denna teknik, och tillverkare kommer att vara ivriga att använda den för att skapa mindre och mer avancerade produkter. Denna tidslinje kommer att vara kortare för militär integration, vilket kan leda till påskyndad utveckling för att möta de växande kraven på framtida slagfält.

Forskare inom halvledarringlasrar

Studien om halvledarringlasrar var ett gemensamt arbete från Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) och Tekniska universitetet i Wien (TU Wien). Forskningen leddes gemensamt av Federico Capasso och Vinton Hayes. Dessutom listar studien Johannes Fuchsberger, Theodore P. Letsou, Dmitry Kazakov, Rolf Szedlak och Benedikt Schwarz som viktiga bidragsgivare. Noterbart är att Department of Defense och National Science Foundation tillhandahöll finansiering för studien via ett bidrag.

Vad blir nästa för halvledarringlasrar?

Forskarna är mitt i att patentera sitt arbete. Därefter kommer de att söka efter tillverkare för att börja minska produktionskostnaderna ytterligare. Dessutom kommer teamet att undersöka effekterna av att skala enheten med fler ringar.

Investera i lasersektorn

Många företag inom lasersektorn har byggt upp ett rykte för kvalitet och utmärkt service. Dessa företag har under årtionden spenderat miljoner på att forska om hur man skapar de mest energieffektiva och användbara lasrarna. Här är ett företag som har gjort sin del för att förse marknaden med pålitliga enheter.

Laser Photonics Corporation 

Laser Photonics Corporation

gick in på marknaden 1981 för att leverera högkvalitativa industriella lasrar. Företaget är beläget i Orlando, Florida, och erbjuder för närvarande ett sortiment av produkter inklusive laserrening, skärning och försvarssystem.
(LASE )
Laser Photonics Corporation har säkrat ett rykte som branschledare tack vare sina solida affärspraxis och pålitliga lasrar. Dessa enheter erbjuder underhållsfria högpresterande lösningar till marknaden. Dessutom fokuserar företaget på att göra sina produkter miljövänliga och hållbara.
I oktober 2022 höll Laser Photonics Corporation en börsintroduktion som säkrade 55 M$ i finansiering. Sedan dess har företaget kontinuerligt utökat sitt erbjudande och sin kundbas. Idag betjänar Laser Photonics Corporation flera Fortune 500-företag och anses vara en branschledare.

Halvledarringlasrar | Slutsats

Det finns mycket att vara entusiastisk över när man diskuterar studien om justerbara halvledarlasrar. Dessa enheter kan omforma flera industrier och hjälpa till att minska kostnaden och storleken på framtida elektronik. Det faktum att deras enhet är enklare att skapa än dagens alternativ och erbjuder bred och exakt våglängdsjustering i ett kompakt, chip-storlek format, gör det till en vinst för hela branschen.

Läs om andra spännande genombrott här.

Studier refererade:

^{1. Johannes Fuchsberger, Theodore P. Letsou, Dmitry Kazakov, Rolf Szedlak, Federico Capasso, and Benedikt Schwarz, “Kontinuerligt och brett justerbara halvledarringlasrar,” Optica 12, 985-990 (2025)}