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At the University of Illinois Urbana-Champaign (UIUC), a semiconductor laser has produced a single-mode beam at room temperature even though the pattern guiding its light does not repeat. The proof-of-concept device emitted at 1.5 micrometers and was powered by an external light source—a method called photopumping—rather than electrical injection.
Alla University of Illinois Urbana-Champaign (UIUC), un laser a semiconduttore ha prodotto a temperatura ambiente un fascio a modalità singola, anche se il pattern che guida la luce non si ripete. Il dispositivo di prova di concetto emetteva a 1,5 micrometri ed era alimentato da una sorgente luminosa esterna, un metodo chiamato pompaggio ottico, anziché tramite iniezione elettrica.
Photonic-crystal surface-emitting lasers, or PCSELs, use a carefully designed pattern to control how light moves through a semiconductor. The structure spreads light interaction across a large area and directs some of it through the surface, producing a narrow, controlled beam in a single optical mode. Conventional PCSELs generally rely on repeating patterns, however, which limits how freely engineers can vary the geometry.
I laser a emissione superficiale con cristallo fotonico, o PCSEL, usano un pattern progettato con cura per controllare il movimento della luce all'interno di un semiconduttore. La struttura distribuisce l'interazione con la luce su un'area estesa e ne dirige una parte attraverso la superficie, producendo un fascio stretto e controllato in un'unica modalità ottica. I PCSEL convenzionali si basano generalmente su pattern ripetitivi, tuttavia, limitando la libertà degli ingegneri nel variare la geometria.
That limitation is also a manufacturing problem. Changing the shape or spacing of tiny features can make fabrication difficult, and semiconductor regrowth can distort the geometry that was designed. The UIUC team’s buried-dielectric approach instead patterns a silicon dioxide layer before covering it with epitaxial semiconductor, helping preserve the features inside the device.
Questa limitazione è anche un problema di produzione. Modificare la forma o la spaziatura di strutture microscopiche può rendere difficile la fabbricazione, mentre la ricrescita del semiconduttore può deformare la geometria progettata. L'approccio del team di UIUC con dielettrico sepolto realizza invece il pattern in uno strato di ossido di silicio prima di ricoprirlo con semiconduttore epitassiale, contribuendo a preservare le strutture all'interno del dispositivo.
The new laser uses tiny silicon dioxide features with a lower refractive index, surrounded by semiconductor with a higher one. Their positions vary in a controlled quasi-periodic pattern rather than repeating at fixed intervals. Erin Raftery, a study author and UIUC PhD candidate, said the design offers more flexibility for tuning refractive-index variation; engineering professor Kent Choquette said different structures could eventually be mixed and matched on the same substrate.
Il nuovo laser utilizza piccole strutture di ossido di silicio con un indice di rifrazione inferiore, circondate da semiconduttore con un indice maggiore. Le loro posizioni variano secondo un pattern quasi periodico controllato, invece di ripetersi a intervalli fissi. Erin Raftery, autrice dello studio e dottoranda presso UIUC, ha affermato che il design offre maggiore flessibilità nella regolazione della variazione dell'indice di rifrazione; il professorat Kent Choquette ha dichiarato che in futuro strutture diverse potrebbero essere combinate e abbinate sullo stesso substrato.
Concretely, the near-term benefit is design flexibility, not a finished product: engineers could have more freedom to optimize lasers for sensing, communications, aerospace, defense and silicon-photonics lidar. The device remains a proof of concept, and its photopumped operation means it is not yet a practical diode laser. The reported performance also does not establish an advantage over conventional PCSELs on every measure. The team’s next goal is an electrically injected device.
In concreto, il vantaggio a breve termine è la flessibilità progettuale, non un prodotto finito: gli ingegneri avrebbero maggiore libertà di ottimizzare i laser per il rilevamento, le comunicazioni, il settore aerospaziale, la difesa e il lidar a fotonica del silicio. Il dispositivo resta una prova di concetto e il suo funzionamento tramite pompaggio ottico significa che non è ancora un pratico laser a diodo. Le prestazioni riportate non dimostrano inoltre un vantaggio rispetto ai PCSEL convenzionali sotto ogni aspetto. Il prossimo obiettivo del team è un dispositivo alimentato tramite iniezione elettrica.