Laser photonic crystal thường dựa vào pattern lặp đều: Thiết kế mới cho thấy ánh sáng không nhất thiết phải “đi theo hàng”

Nhìn dưới kính hiển vi điện tử, lớp photonic crystal của laser mới không giống một tấm lưới được nhân bản từ cùng một ô cơ sở. Những tam giác kích thước dưới micromet dịch chuyển dần theo vị trí, tạo thành một pattern có trật tự nhưng không lặp lại theo cách thông thường. Dù vậy, thiết bị vẫn phát laser đơn mode ở nhiệt độ phòng.

Đó là kết quả của nhóm Erin M. Raftery và Kent D. Choquette tại University of Illinois Urbana-Champaign, cùng các cộng sự ở Air Force Research Laboratory và Auburn University. Trong nghiên cứu đăng trên Applied Physics Letters, họ trình diễn một quasi-photonic-crystal surface-emitting laser, hay QPCSEL, trong đó pattern chiết suất tuần hoàn của PCSEL thông thường được thay bằng một cấu trúc quasi-periodic phức tạp hơn.

Điểm cần làm rõ ngay từ đầu: đây không phải bằng chứng rằng mọi laser chip đều có thể bỏ cấu trúc định kỳ. Kết quả cụ thể áp dụng cho một nhánh laser bán dẫn gọi là photonic-crystal surface-emitting laser (PCSEL), nơi chính pattern hai chiều trong vật liệu đóng vai trò tổ chức và ghép các mode ánh sáng. Điều mới là nhóm nghiên cứu cho thấy pattern đó không nhất thiết phải sao chép cùng một unit cell đều đặn trên toàn bộ thiết bị để vẫn tạo được phát xạ laser đơn mode.

Vì sao PCSEL lâu nay thích những pattern lặp hoàn hảo?

Trong PCSEL truyền thống, lớp photonic crystal là một mạng hai chiều gồm các vùng có chiết suất khác nhau được sắp xếp tuần hoàn. Có thể hình dung nó như một “mặt đường” quang học được lát bằng cùng một viên gạch, lặp đi lặp lại ở khoảng cách xác định.

Sự tuần hoàn này không chỉ để dễ chế tạo. Nó tạo ra một cấu trúc band quang học có thể ghép những sóng ánh sáng truyền ngang trong lớp bán dẫn, hình thành cộng hưởng hai chiều rồi tán xạ một phần năng lượng theo phương vuông góc với bề mặt chip. Nếu thiết kế đúng, PCSEL có thể phát một chùm sáng hẹp, sáng và có độ kết hợp cao trên diện tích lớn hơn nhiều so với một microcavity nhỏ.

Nhưng lợi thế đó đi kèm ràng buộc. Khi diện tích photonic crystal tăng, khoảng cách phổ giữa các mode có xu hướng giảm, khiến việc giữ chỉ một mode laser khó hơn. Nhiệt, phân bố hạt tải không đồng đều và sai số chế tạo cũng trở nên quan trọng hơn. Một pattern tuần hoàn được tối ưu cho một hình học cụ thể chưa chắc dễ chuyển sang thiết kế khác mà vẫn giữ các đặc tính mong muốn.

Vì vậy, câu hỏi của nhóm Illinois không phải “có thể bỏ trật tự hay không?”, mà là có thể thay trật tự tuần hoàn bằng một dạng trật tự không lặp để có thêm tự do thiết kế hay không?

Quasi-periodic không có nghĩa là ngẫu nhiên

QPCSEL trong nghiên cứu không phải một random laser, nơi ánh sáng bị tán xạ qua một môi trường hỗn loạn rồi tình cờ hình thành feedback. Pattern của nó vẫn được thiết kế rất có chủ đích.

Nhóm bắt đầu từ một mạng photonic crystal dạng tổ ong với các feature hình tam giác, sau đó áp dụng một sơ đồ perturbation lấy cảm hứng từ Dirac-vortex photonic cavity. Vị trí của các feature thay đổi theo không gian quanh một tâm, tạo ra cấu trúc “winding” không có đối xứng tịnh tiến đơn giản như một mạng tuần hoàn thông thường. Paper mô tả pattern với đối xứng C_3v quanh tâm thiết bị.

Cách sắp xếp này quan trọng vì một Dirac-vortex cavity có thể neo một mode quang học vào vùng trung tâm và cho phép các nhà thiết kế điều khiển những tham số như kích thước mode hoặc số winding. Về nguyên tắc, điều đó giúp tách mode mong muốn khỏi các mode cạnh tranh mà không phải phụ thuộc hoàn toàn vào một lattice lặp đều trên toàn bộ diện tích.

Nói cách khác, ánh sáng vẫn “đọc” được cấu trúc. Chỉ là cấu trúc không còn đưa cho nó cùng một chỉ dẫn ở từng ô. Chiết suất được biến đổi theo vị trí để dẫn hệ quang học đến một mode mong muốn.

Đây cũng là lý do nên thận trọng với từ “topological”. Thiết kế lấy cảm hứng từ các Dirac-vortex topological cavity đã được nghiên cứu trước đó, nhưng paper mới tự mô tả thiết bị của mình là quasi-photonic-crystal surface-emitting laser. Kết quả thực nghiệm chính ở đây là chế tạo được cấu trúc quasi-periodic chôn trong bán dẫn và quan sát lasing; nghiên cứu không biến mọi đặc tính mong đợi của một topological laser thành dữ kiện đã được chứng minh.

Vấn đề khó không chỉ nằm ở pattern, mà ở việc chôn nó vào semiconductor

Một pattern đẹp trên bản vẽ chưa đủ. PCSEL thực tế còn phải sống sót qua các bước tăng trưởng lại vật liệu bán dẫn.

Trong nhiều PCSEL dựa trên InP, photonic crystal được tạo bằng những hốc khí nhỏ rồi phủ thêm semiconductor. Nhưng ở nhiệt độ tăng trưởng, các nguyên tử trên bề mặt có thể di chuyển và tái sắp xếp. Các hốc vốn được thiết kế với hình dạng chính xác có thể méo đi hoặc bị lấp một phần. Với một mạng đơn giản, vấn đề này đã khó; với một pattern quasi-periodic mà từng feature có vị trí và độ dịch chuyển riêng, biến dạng hình học có thể phá hỏng chính ý tưởng thiết kế.

Nhóm Choquette giải quyết điểm này bằng một nền tảng mà họ đã trình diễn trước đó: thay các void bằng silicon dioxide (SiO₂) rắn. Lớp SiO₂ được khắc thành các feature dưới micromet, sau đó semiconductor epitaxy được tăng trưởng bao quanh và phủ lên trên. Vì feature dielectric vẫn là vật rắn, pattern có cơ hội giữ nguyên hình học tốt hơn trong quá trình regrowth.

Ảnh SEM trong paper cho thấy các tam giác SiO₂ sau khi patterning vẫn giữ được bố trí quasi-periodic. Ảnh HAADF-STEM sau tăng trưởng cho thấy InP đã phát triển và coalescence phía trên lớp dielectric. Nhóm cũng đo độ nhám RMS bề mặt sau tăng trưởng khoảng 9,51 nm trong vùng pattern.

Đây có thể là phần có giá trị thực dụng hơn cả ý tưởng “không cần lặp”. Một pattern aperiodic chỉ hữu ích nếu quy trình chế tạo đủ trung thực để giữ được những sai khác có chủ ý giữa từng vị trí. Buried dielectric cho nhóm một cách chuyển thiết kế phức tạp từ layout thành cấu trúc rắn nằm bên trong semiconductor.

Thiết bị đã thực sự phát laser, nhưng mới bằng optical pumping

Mẫu QPCSEL thử nghiệm có lattice parameter danh nghĩa 953,6 nm. Khi được bơm quang học, thiết bị hoạt động ở nhiệt độ phòng và phát trong vùng khoảng 1,5 µm. Abstract của paper báo cáo single-mode emission; dữ liệu phổ cho thấy một peak hẹp xuất hiện gần 1529 nm khi vượt ngưỡng laser.

Nhóm không cấp điện trực tiếp cho diode như một laser bán dẫn thương mại. Phép đo dùng các pulse bơm quang học dài 300 ns với duty cycle 0,3%. Far-field được ghi ở mật độ công suất bơm 58,8 kW/cm². Những chi tiết này quan trọng vì “lasing ở nhiệt độ phòng” có thể nghe gần sản phẩm hơn thực tế: nhóm đã chứng minh cơ chế quang học của cấu trúc, chưa chứng minh một laser diode chạy liên tục bằng dòng điện.

Đó cũng là cách chính các tác giả mô tả trạng thái dự án. Trong bản tin của Illinois ECE, nhóm cho biết bước tiếp theo là tạo một thiết bị electrically injected. Việc bổ sung junction, contact, phân bố dòng và quản lý nhiệt sẽ khó hơn đáng kể so với optical pumping trong lab.

Không lặp lại có thể cho phép “mix and match” trên cùng substrate

Lợi ích mà nhóm nhấn mạnh hiện tại không phải công suất kỷ lục. Đó là tính linh hoạt hình học.

Trong một PCSEL tuần hoàn, việc thay đổi chức năng thường gắn chặt với việc thiết kế lại unit cell và lattice. Một nền tảng buried dielectric có thể giữ được những pattern phức tạp hơn cho phép các vùng trên cùng substrate được thiết kế với các phân bố chiết suất khác nhau thay vì buộc tất cả phải dùng một pattern duy nhất.

Điều đó có thể hữu ích cho các laser cần kiểm soát mode, beam shape hoặc bước sóng theo cách khác nhau trên cùng wafer. Các hướng ứng dụng thường được nhắc tới với PCSEL gồm LiDAR, remote sensing, optical communication, material processing và các hệ thống cần chùm laser độ phân kỳ thấp. Nhưng paper hiện tại chưa trình diễn những ứng dụng đó, cũng chưa đưa ra một quy trình sản xuất hàng loạt.

Cũng chưa có cơ sở để nói QPCSEL này “tốt hơn” PCSEL tuần hoàn trên mọi tiêu chí. Một cấu trúc quasi-periodic phức tạp có thể mang lại thêm tự do thiết kế, nhưng cũng tạo ra bài toán mô phỏng, layout, kiểm soát sai số và điện bơm khó hơn. Muốn đánh giá nó như một kiến trúc laser cạnh tranh thực sự, cần dữ liệu về công suất, hiệu suất, độ phân kỳ, độ ổn định nhiệt, độ bền và khả năng scale trên những thiết bị electrically injected.

Điều nghiên cứu thực sự thay đổi là một giả định thiết kế

PCSEL thành công nhờ biến một mạng chiết suất lặp đều thành bộ điều khiển sóng ánh sáng ngay bên trong semiconductor. Công trình mới không phủ nhận nguyên lý đó; nó nới lỏng một giả định lâu nay đi cùng nó: trật tự hữu ích không nhất thiết đồng nghĩa với sự lặp lại hoàn hảo.

Một pattern quasi-periodic, nếu được thiết kế và chế tạo đủ chính xác, vẫn có thể chọn và tổ chức mode quang học để tạo lasing đơn mode. Với nền tảng dielectric chôn trong semiconductor, nhóm Illinois còn cho thấy dạng pattern phức tạp này có thể tồn tại qua quá trình epitaxial regrowth thay vì chỉ nằm trên một membrane hoặc slab dễ chế tạo hơn.

Bài kiểm tra tiếp theo sẽ thực dụng hơn nhiều: biến proof-of-concept photopumped thành một diode laser được cấp điện trực tiếp, rồi xem những lợi thế về tự do hình học còn giữ được khi thiết bị phải chịu dòng cao, nhiệt và yêu cầu chế tạo của phần cứng thực tế hay không.