Forscher entwickeln neuen elektrisch gepumpten kantenemittierenden Laserchip mit beispielloser Leistung

In einer neuen Studie veröffentlicht in Licht: Wissenschaft und Anwendungen , ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Asst. Prof. Abdullah Demir vom UNAM-Institut für Materialwissenschaft und Nanotechnologie der Universität Bilkent hat erfolgreich einen neuartigen elektrisch gepumpten kantenemittierenden Laserchip mit beispielloser Leistung entwickelt. Dieser großflächige, quasi-PT-symmetrische Laser verfügt über eine Single-Mode-Ausgangsleistung von 400 mW bei gleichbleibender Strahlqualität, die mit Lasergeräten mit schmalem Wellenleiter vergleichbar ist, und arbeitet bei Raumtemperatur ohne Kühlung.

Halbleiterlaser sind in der modernen Technologie allgegenwärtig, aber die Entwicklung neuartiger Gerätearchitekturen bleibt aufgrund konkurrierender Optimierungsziele eine Herausforderung. Eine der größten Hürden besteht darin, dass eine Vergrößerung der Breite des Laserwellenleiters aufgrund der Entstehung von Moden höherer Ordnung zu einer Verschlechterung der Strahlqualität führen kann. Bestehende Techniken zur Überwindung dieses Hindernisses können zu Verlusten im Grundmodus führen und alternative Strategien erfordern.

Das Gerät des Forschungsteams besteht aus zwei gekoppelten Wellenleitern, wobei das Partnerpotential nur einen Modus unterstützt, der so konstruiert ist, dass er dieselbe Ausbreitungskonstante wie der Modus zweiter Ordnung des Hauptwellenleiters aufweist. Dies ermöglicht ein selektives Pumpen des Grundmodus durch Strominjektion in den Hauptwellenleiter, was das Lasern im Single-Mode-Bereich ermöglicht. Das Team überprüfte die elektrischen und optischen Eigenschaften des Geräts anhand von Standardmessungen.

Es wird gezeigt, dass eine neuartige Konfiguration großflächiger Halbleiterlaser eine hohe Emissionsleistung und eine hohe Strahlqualität erreicht. Dies wird durch die Implementierung einer Quasi-PT-Symmetrie zwischen der Mode zweiter Ordnung eines Zweimoden-Laserresonators und der eines Singlemode-Hilfspartnerhohlraums erreicht. Der neue Ansatz ermöglicht ein selektives Pumpen des optischen Grundmodus, was zum Lasern im Single-Mode-Bereich führt. Der Laser wird unter Verwendung einer Materialplattform und eines Herstellungsprozesses konstruiert, die den Industriestandards für Halbleiterlaser entsprechen.

Die nicht-hermitesche Photonik hat sich in letzter Zeit als vielversprechender Weg zur Verbesserung der Laserleistung herausgestellt. Unter diesen Konzepten hat die Paritätszeitsymmetrie (PT) das Potenzial gezeigt, Moden höherer Ordnung zu unterdrücken und einen Single-Mode-Betrieb zu ermöglichen. Das Zusammenspiel zwischen nicht-hermiteschen Effekten und anderen Symmetriekonzepten wurde ebenfalls untersucht, um neue Designs zu entwickeln. Es ist jedoch ungewiss, ob diese Konzepte aufgrund thermischer Effekte und Resonanzfrequenzverschiebungen, die durch höhere Trägerkonzentrationen und optische Leistungen hervorgerufen werden, auf realistische Geräte übertragen werden können.