Un láser no siempre requiere una estructura perfectamente repetitiva para generar un haz de luz limpio. Investigadores de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign (UIUC) han demostrado un láser semiconductor que rompe deliberadamente con esta convención, reemplazando la estructura regular de un láser de emisión superficial con cristal fotónico (PCSEL, por sus siglas en inglés) por una de tipo cuasi-periódico.
El dispositivo logró una emisión láser monomodo a temperatura ambiente con una longitud de onda de 1.5 micrómetros, demostrando que es posible integrar patrones no repetitivos manteniendo un control preciso sobre la luz. "Demostramos la emisión láser por bombeo óptico a partir de un QPCSEL (láser de emisión superficial con cristal fotónico cuasi-periódico) dieléctrico enterrado a temperatura ambiente con una longitud de onda de 1.5 μm", señalan los investigadores en su estudio.
Este enfoque podría otorgar a los ingenieros una mayor libertad para diseñar láseres destinados a aplicaciones como detección, comunicaciones, aeroespacial y defensa.
¿Cómo rompen los investigadores el patrón repetitivo?
Los PCSEL utilizan un cristal fotónico, un patrón cuidadosamente diseñado que controla cómo viaja la luz a través de un semiconductor. A diferencia de los láseres convencionales, esta estructura óptica puede distribuir la interacción de la luz en un área extensa y dirigir parte de ella hacia el exterior a través de la superficie.
El diseño permite producir un haz estrecho y bien controlado con emisión monomodo, propiedades sumamente útiles cuando un láser debe entregar luz con precisión en lugar de competir en múltiples modos ópticos. Durante las últimas dos décadas, los PCSEL han despertado interés en aplicaciones avanzadas de semiconductores, incluyendo sistemas de defensa y aeroespaciales. No obstante, la geometría impone una limitación física constante.
Desafíos en la fabricación de láseres
Los PCSEL convencionales dependen generalmente de patrones que se repiten con exactitud; alterar la forma o el espaciado de estos elementos complica el proceso de fabricación. Además, las estructuras microscópicas pueden distorsionarse durante el recrecimiento del semiconductor, dificultando la reproducción fiel de la geometría diseñada originalmente.
El equipo de Illinois desarrolló previamente una plataforma de dieléctrico enterrado para resolver este problema. En lugar de grabar orificios directamente en el semiconductor, los investigadores crearon un patrón en una capa de dióxido de silicio y luego la cubrieron con un semiconductor epitaxial. De esta forma, las características dieléctricas quedaron enterradas dentro del dispositivo, ayudando a preservar su forma original durante la fabricación.
Transformación de lo periódico a lo cuasi-periódico
Los autores del estudio buscaron ir más allá y probar si el patrón del cristal fotónico mismo podría ser no periódico. Inspirándose en estructuras topológicamente protegidas y no repetitivas, crearon una configuración cuasi-periódica. En lugar de colocar elementos idénticos en intervalos estrictamente regulares, el patrón varía de manera controlada.
Los investigadores utilizaron pequeñas estructuras de dióxido de silicio de bajo índice, rodeadas de un material semiconductor de alto índice, para conformar la capa del cristal cuasi-fotónico. Debido a que el patrón dieléctrico está embebido y no expuesto, el proceso de recrecimiento del semiconductor permite preservar geometrías más complejas. El dispositivo resultante fue bombeado ópticamente, lo que significa que una fuente de luz externa suministró la energía necesaria para la emisión láser. A temperatura ambiente, emitió a 1.5 micrómetros y demostró operación monomodo.
Este resultado es significativo porque prueba que un cristal fotónico cuasi-periódico puede producir la emisión láser controlada que normalmente se asocia con diseños periódicos más rígidos. "Hemos demostrado que podemos usar un patrón no periódico y tener más flexibilidad para ajustarlo. Es una forma distinta de diseñar la variación del índice de refracción para obtener las propiedades deseadas en nuestros láseres", comentó Erin Raftery, autora del estudio y candidata a doctorado en la UIUC.
Hacia una plataforma láser más flexible
El dispositivo actual es todavía una prueba de concepto y su rendimiento aún no ha superado a los PCSEL convencionales en todas las métricas. Al ser un sistema de bombeo óptico y no inyectado eléctricamente, todavía no representa un diodo láser práctico. Sin embargo, el enfoque de dieléctrico enterrado podría permitir que diferentes patrones de cristales fotónicos se fabriquen sobre el mismo sustrato, brindando a los ingenieros mayor libertad para optimizar láseres según diversos propósitos. Esta flexibilidad podría ser relevante para tecnologías que van desde el lidar de fotónica de silicio hasta otros sistemas ópticos compactos.
"Actualmente, solo se puede cultivar un tipo de estructura a la vez, mientras que nosotros podemos combinar y ajustar sobre el mismo sustrato. Esto podría permitirnos construir láseres más fiables y de mejor rendimiento", afirmó Kent Choquette, coautor del estudio y profesor de ingeniería en la UIUC. El siguiente objetivo del equipo es desarrollar un dispositivo de inyección eléctrica, lo que acercaría la tecnología a un uso real. "Hemos demostrado la física. Ahora necesitamos demostrar un dispositivo práctico", concluyó Choquette. El estudio fue publicado en la revista Applied Physics Letters.
Vía Interesting Engineering.
