Tekrarsız Desenlerle Çalışan Lazer, Yarı İletken Tasarımında Devrim Potansiyeli Taşıyor

Illinois Urbana-Champaign Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, fotonik kristal yüzey yayan lazerlerde (PCSEL) görülen düzenli yapıları ortadan kaldıran ve bunun yerine kuasi-periyodik bir yapı kullanan bir yarı iletken lazer geliştirdi. Bu yenilikçi tasarım, oda sıcaklığında 1.5 mikrometre dalga boyunda tek modlu ışın üretimi sağlayarak, tekrarsız desenlerin lazerlerde kullanılabilir olduğunu ve ışık kontrolünün hassas bir şekilde sağlanabildiğini gösterdi.

Araştırmacılar, çalışmalarında şu ifadeyi kullandılar: “Oda sıcaklığında 1.5 μm emisyon dalga boyunda fotopompalı bir gömülü dielektrik KPCSEL’den (kuasi-periyodik fotonik kristal yüzey yayan lazer) ışınlama elde ettik.”

Bu yaklaşım, sensörler, iletişim, havacılık ve savunma gibi çeşitli uygulamalar için lazerlerin tasarımında mühendislere daha fazla özgürlük sağlayabilir.

Tekrarsız Desenlerin Kullanımı

PCSEL’ler, ışığın yarı iletken içindeki hareketini kontrol eden dikkatlice tasarlanmış bir yapı olan fotonik kristali kullanır. Geleneksel lazerlerden farklı olarak, bu yapı ışık etkileşimini geniş bir alana yayabilir ve bazılarını yüzeyden dışarı yönlendirebilir. Bu tasarım, hassas bir şekilde kontrollü bir ışın ve tek modlu emisyon sağlayarak, lazerin birçok farklı optik modda değil, belirli bir yönde ışık yayması gereken durumlarda faydalıdır.

Son yirmi yılda PCSEL’ler, havacılık ve savunma sistemleri de dahil olmak üzere gelişmiş yarı iletken lazer uygulamaları için ilgi görmüştür. Ancak bu tasarımın kendine özgü sınırlamaları da bulunmaktadır.

Geleneksel PCSEL’ler genellikle tekrarlayan desenlere dayanır ve bu yapıların şeklini veya aralığını değiştirmek üretimi zorlaştırabilir. Ayrıca, küçük yapılar yarı iletken üretim sürecinde bozulabilir, bu da tasarlanmış geometrinin tam olarak yeniden oluşturulmasını zorlaştırır.

Illinois ekibi, bu sorunu çözmek için daha önce gömülü dielektrik bir platform geliştirmişti. Araştırmacılar, doğrudan yarı iletkene delikler açmak yerine, silikon dioksit katmanı desenledikten sonra bunun üzerine epitaksiyal yarı iletken kapladı. Bu sayede dielektrik yapılar cihazın içinde yer alır ve üretim sırasında şekillerinin korunmasına yardımcı olur.

Periyodik Yapıdan Kuasi-Periyodik Yapıya Geçiş

Çalışmanın yazarları, bu fikri daha da ileriye taşıyarak fotonik kristal desenin kendisinin de periyodik olmaktan çıkarılıp çıkarılamayacağını araştırdılar. Topolojik olarak korunan, tekrarlayan yapılardan ilham alarak, kontrollü bir şekilde değişen kuasi-periyodik bir yapı oluşturdular. Aynı özelliklere sahip yapıları kesin aralıklarla yerleştirmek yerine, desenin kendisi kontrollü bir şekilde değiştirildi.

Araştırmacılar, yüksek indeksli yarı iletken malzeme tarafından çevrelenen küçük, düşük indeksli silikon dioksit yapısı kullanarak kuasi-fotonik kristal katmanı oluşturdu. Dielektrik yapı yüzeyde değil, gömülü olduğu için, yarı iletken üretim sürecinde daha karmaşık bir geometrinin korunması mümkün oldu.

Elde edilen cihaz, ışık enerjisi sağlamak için fotopompalıydı (harici bir ışık kaynağı kullanılarak). Oda sıcaklığında 1.5 mikrometre dalga boyunda ışın yaydı ve tek modlu çalışma gösterdi. Bu önemli çünkü kuasi-periyodik bir fotonik kristalin, daha katı periyodik tasarımlarla ilişkilendirilen kontrollü lazer emisyonunu üretebileceğini gösteriyor.

“Kuasi-periyodik bir yapıya sahip olabileceğimizi ve bunu ayarlamak için daha fazla esnekliğe sahip olduğumuzu gösterdik. İstediğimiz özellikleri elde etmek için kırılma indeksindeki değişimi farklı bir şekilde mühendislik yapmanın farklı bir yolu,” diye Erin Raftery, çalışmanın yazarlarından biri ve UIUC’deki doktora adayı.

Daha Esnek Bir Lazer Platformu

Mevcut cihaz hala bir kavram kanıtı olup, performansının geleneksel PCSEL’lerden her ölçüde daha iyi olup olmadığı henüz belirlenmedi. Ayrıca, elektrikle çalışan bir lazer olmadığı için pratik uygulamalar için uygun değildir. Ancak gömülü dielektrik yaklaşımı, farklı fotonik kristal desenlerinin aynı substrat üzerinde üretilmesine olanak tanıyarak mühendislere lazerleri farklı amaçlar için optimize etmede daha fazla özgürlük sağlayabilir. Bu esneklik, silikon fotonik LiDAR’dan diğer kompakt optik sistemlere kadar çeşitli teknolojilerde önemli olabilir.

“Şu anda yalnızca bir tür yapı büyütülebilirken, biz aynı substrat üzerinde bunları karıştırıp eşleştirebiliyoruz. Bu, daha güvenilir ve daha iyi performanslı lazerler oluşturmamıza olanak tanıyabilir,” diye Kent Choquette, çalışmanın yazarlarından biri ve UIUC’deki mühendislik profesörü.

Ekibin bir sonraki hedefi, elektrikle çalışan bir cihaz geliştirmek olup, bu teknolojiye pratik uygulamalar için daha yakın olacaktır. “Fiziksel olarak neyin mümkün olduğunu gösterdik. Şimdi de pratik bir cihazın nasıl üretileceğini göstermeliyiz,” diye Choquette ekledi.

Çalışma, Applied Physics Letters dergisinde yayınlandı.