Transversellt distorderat högkontrastgitter som multifunktionell spegel i vertikalkavitetslasrar möjliggör litografisk bestämning av våglängden och gör lasern snabbare

Forskningsprojekt, 2012 – 2015

Kompakt spegel gör lasern snabbare - och bestämmer dess färg En laser består av två speglar mellan vilka ljuset studsar samtidigt som det förstärks av mediet mellan speglarna. Lasern i detta projekt kallas vertikalkavitetslaser (förkortat VCSEL) eftersom ljuset studsar vinkelrätt mot halvledarytan. Speglarna i en VCSEL utgörs av flera lager (40-60 stycken) av tunna skikt med varierande brytningsindex, så kallade distribuerade Bragg (DBR)-speglar. Fördelen med dessa är att man kan få den extremt höga reflektion (>99.5%) som krävs i en VCSEL - en vanlig metallspegel skulle inte alls duga. En nackdel är att ljuset studsar en mycket lång sträcka inuti DBR-spegeln, mellan alla olika lager. Detta har blivit ett problem nu när man vill göra lasrarna ännu snabbare, dvs man vill kunna ändra laserljusets styrka ännu fler gånger per sekund för att kunna sända mer information. Då måste man snabbt tömma lasern på ljus och den processen går långsammare om huvuddelen av ljuset studsar runt i DBR-speglarna. I detta projekt vill vi utveckla och testa en ny typ av spegel, ett så kallat högkontrastgitter, som ska användas i stället för den DBR-spegel som sitter i toppen av VCSELn, alltså närmast ytan där laserljuset kommer ut i luften. Ett högkontrastgitter (förkortat HCG) är ett galler av ett material med högt brytningsindex, omgivet av ett material med betydligt lägre brytningsindex. Teoretiska undersökningar har visat att ett HCG kan ha lika hög reflektion som en DBR. Inledningsvis kommer vi att använda ett HCG bestående av rektangulära stavar omgivna av luft, liknande en persienn. Stavarnas tjocklek kommer att vara ungefär 200 nm, vilket är flera hundra gånger tunnare än ett hårstrå. Eftersom spegelns, persiennens, tjocklek i stort sett är lika med stavarnas tjocklek är HCG-spegeln väldigt mycket plattare än DBR-spegeln. Därmed tränger inte ljuset nämnvärt in i HCG-spegeln från förstärkningsmediet så att ljustömningen kan gå betydligt fortare, det vill säga lasern kan göras snabbare. En annan finess är att stavarnas storlek och inbördes avstånd kan varieras betydligt utan att reflektionen försämras, men däremot ändras tidsfördröjningen av den reflekterade ljusvågen. Ljuset uppfattar detta som att spegeln flyttats och ändrar därför sin våglängd - färg - för att bibehålla den stående vågen mellan speglarna. Eftersom olika närliggande lasrar på samma halvledarchip kan ha olika HCGs betyder detta att de kan sända ut ljus av olika våglängd. Detta kan användas för att på ett enkelt sätt åstadkomma matriser med lasrar som skickat ut ljus med en väl specificerad skillnad i våglängd, vilket vore önskvärt som sändarenhet i våglängdsmultiplexing (WDM) där man sänder information på flera kanaler i en fiber. En sådan enkel lösning är omöjlig med konventionella VCSELar eftersom avståndet mellan de två DBR-speglarna är konstant över hela chipytan så alla lasrar får samma våglängd. Det finns ytterligare en möjlighet med HCG-speglar: man kan förvränga dem så att stavarna inte längre är raka eller att deras tjocklek varierar över spegelns yta. Det har ganska nyligen visats med datorberäkningar att detta kan ske med bibehållen hög reflektans. Detta kan användas för att lägga in extrafuntioner i HCG-spegeln, till exempel fokusering av det reflekterande ljuset. På så sätt kan man på ett enkelt sätt kontrollera ljusets utbredning i det förstärkande mediet och därigenom förhindra att lasern hoppar mellan olika fördelningar av intensiteten i strålens tvärsnitt. En stabil stråle är ofta en förutsättning för att man ska kunna dra riktig nytta av laserns snabbhet. I detta projekt vill vi undersöka alla de nämnda möjligherna med HCG-speglar i VCSELar. Vi har en stor erfarenhet av att designa, simulera och experimentellt integrera mikrolasrar med nya och okonventionella strukturer för att få fram ljuskällor med unika egenskaper. Redan i dag är VCSELn den mest använda ljuskällan för optisk fiberkommunikation över kortare sträckor. Vårt mål är att utnyttjandet av HCG-speglar ska göra VCSELn ännu bättre på flera kritiska punkter. På så sätt kan alltså projektet bidra till att möjliggöra nästa generations ljuskällor för snabb optisk kommunikation. HCG-tekniken kan också bana väg för mikrolasrar som sänder ut ljus med färger som hittills varit svåra att åstadkomma eftersom det varit svårt att göra bra DBR-speglar för de använda materialen.

Deltagare

Finansiering

Relaterade styrkeområden och infrastruktur

Hållbar utveckling

Drivkrafter

Mer information

Senast uppdaterat