加州大学伯克利分校研究人员开发出一种新型半导体激光器

近日，加州大学伯克利分校(UC Berkeley)的研究人员开发出一种新型半导体激光器“BerkSEL”。难得的是，这种激光器实现了光学领域一个难以捉摸的目标：在保持单模发射光的同时，保持放大尺寸和功率的能力。6月29日，该成果发表在《自然》杂志上。

伯克利表面发射激光器(BerkSEL)示意图，蓝色为泵浦光束，红色为激光光束。图片来源：UC Berkeley Engineering

自1960年第一台激光器建成以来，同步增加单模激光器的尺寸和功率一直是光学领域的一个挑战。而这项工作表明，尺寸并不一定要以相干性为代价，这使得激光在许多应用中能够更强大稳定，并且覆盖更长的距离。

由加州大学伯克利分校电子工程与计算机科学系(EECS)副教授Boubacar Kanté、劳伦斯伯克利国家实验室材料科学部门的科学家领导的研究团队展示了一种具有均匀间距和相同大小的孔穿孔的半导体膜，可以作为一个可伸缩的激光腔。结果表明，无论这种激光腔的大小如何，激光束都能发射出一致的单一波长。

在传统的激光器中，随着激光腔的增大，相干单波长定向光会开始分解。标准的解决方法是使用像波导这样的外部机构来放大光束，然而这占用了很多空间。通过消除外部放大的需要，如今研究人员可以缩小计算机芯片和其他依赖激光的组件的尺寸并提高效率。

这项工作与垂直腔表面发射激光器（VCSEL）技术尤其紧密相关。在VCSELS中，光从芯片顶面中垂直发射出来。VCSELs通常只有几微米宽，目前用来增强它们功率的策略是将数百个独立的VCSELs聚集在一起。因为激光是独立的，它们的相位和波长不同，所以它们的功率不会相干地结合在一起——这在面部识别等应用中还可以接受，但在通信或手术等对精度至关重要的应用中却完全行不通。

而UC Berkeley开发出来的“BerkSEL”激光器设计使更高效的单模光发射成为可能，主要是基于光通过薄膜上孔穴的物理特性。他们开发出来的薄膜是一种200纳米厚的砷化镓磷化铟(一种常用于光纤和电信技术的半导体)。研究人员指出，这些规则性的孔穴是用光刻法蚀刻的，必须有固定的大小、形状和距离——它们能够充当狄拉克点，这是二维材料基于能量线性色散的拓扑特征。

此外，由于光从一点传播到另一点的相位等于折射率乘以传播的距离。由于在狄拉克点折射率为零，从半导体的不同部分发出的光完全相位相同，因此在光学上是相同的。该研究的共同主要作者、EECS博士后研究员瓦利德·雷德杰姆（Walid Redjem）表示：“我们研究中的薄膜大约有3000个孔，但理论上，它可能有100万个或10亿个孔，结果会是一样的。”

目前，研究人员使用高能脉冲激光进行光泵浦并为BerkSEL设备提供能量，并使用为近红外光谱优化的共聚焦显微镜测量了每个孔径的发射。通过调整设计规格，如孔穴大小和半导体材料，“BerkSELs”半导体激光器可以发射出不同的目标波长。