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Microláseres a temperatura ambiente
Los científicos han creado el láser más pequeño jamás capaz de funcionar a temperatura ambiente. El dispositivo tiene menos de un micrón cúbico, menos que la longitud de onda de la luz que emite. Es el primer láser de sub-longitud de onda que no requiere enfriamiento criogénico.
Precisión láser: La estudiante de posgrado Olesya Bondarenko inspecciona la herramienta de deposición de pulverización catódica utilizada para aplicar una capa de aluminio a los microláseres de sub-longitud de onda.
Yeshaiahu Fainman , director del Grupo de Óptica Ultrarrápida y Nanoescala de la Universidad de California en San Diego, quien dirigió el trabajo, dice que debería ser posible empaquetar los microláseres juntos sin interferencia entre dispositivos. Esto allana el camino para, entre otras cosas, dispositivos de comunicaciones ópticas más rápidos que utilizan láseres de sub-longitud de onda en matrices densas.
Los investigadores modificaron lo que se conoce como láser de microdiscos. En este tipo de láser, un disco microscópico que contiene diferentes materiales es bombeado ópticamente por un láser más grande. Esto estimula su núcleo semiconductor para que emita luz, que rebota alrededor de los bordes del disco antes de ser liberada. Agregar metal a este disco puede evitar que el láser se comporte de una manera que interfiera con otros dispositivos cercanos. Pero esto reduce la eficiencia del láser y, hasta ahora, la única forma de contrarrestar esta pérdida de rendimiento ha sido enfriarlo criogénicamente a unos 77 grados Kelvin (-196 grados Celsius) utilizando nitrógeno líquido, lo que está lejos de ser práctico.
Fainman, junto con el postdoctorado Maziar Nezhad y otros colegas de UCSD, encontraron una forma más sencilla de mejorar la eficiencia de su láser y eliminar la necesidad de enfriamiento. Agregaron una capa de sílice, seguida de una capa de aluminio alrededor de una cavidad láser hecha de fosfuro de arseniuro de galio indio. La capa exterior de metal actúa como un escudo, aislando el láser de otros dispositivos y actuando como un disipador de calor altamente eficiente. La capa de sílice evita que el metal reduzca la eficiencia general de los láseres.
Se eligió el aluminio porque sus propiedades ópticas lo hacen altamente reflectante. Pero la clave para que funcione radica en controlar con precisión el grosor de la capa de sílice que separa el metal del núcleo del semiconductor, dice Fainman. Si la capa es demasiado delgada, el escudo de metal interactuará con demasiada fuerza con el campo óptico, lo que provocará grandes pérdidas.
Este es un trabajo muy emocionante e introduce avances importantes en el nuevo campo de los nanoláseres, dice Naomi Halas, profesora Stanley C. Moore de Ingeniería Eléctrica e Informática en la Universidad de Rice y directora del Laboratorio de Nanofotónica de la Universidad. El uso de capas metálicas y geometrías de diseño inteligentes ha permitido a este grupo comenzar a realizar mejoras en estas estructuras que ampliarán la forma en que estos dispositivos se utilizan en los sistemas de comunicaciones.
En un artículo publicado en la revista Fotónica de la naturaleza , el grupo UCSD demuestra que su láser puede producir emisiones con una longitud de onda de 1,43 micrones a temperatura ambiente. El grupo ha recibido financiación de la National Science Foundation, así como de DARPA Arquitecturas a nanoescala para fuentes hiperópticas coherentes programa.
En teoría, la eficiencia del láser podría mejorarse aún más mediante el uso de otros metales que tengan propiedades ópticas aún más favorables, como la plata o el oro, dice Fainman.
Un desafío mayor es encontrar una manera de que los láseres se integren completamente en dispositivos optoelectrónicos, reemplazando la compleja bomba óptica por una eléctrica. El bombeo eléctrico sería más deseable, porque es mucho más eficiente, dice Richard De La Rue , profesor de optoelectrónica en la Universidad de Glasgow, en el Reino Unido.
Además de las comunicaciones de alta velocidad, los láseres de sub-longitud de onda podrían encontrar aplicaciones en imágenes biomédicas y microscopía óptica de campo cercano, dice Fainman. En el último caso, existen dificultades para escanear mecánicamente láseres a través de una superficie, dice, por lo que el objetivo sería crear una matriz de fuentes de luz que se escanearan eléctricamente en lugar de mecánicamente.
Halas dice que el trabajo también es científicamente importante. Explotan un régimen en el que el diseño de la cavidad puede alterar las propiedades del medio de ganancia, lo que en realidad introduce una forma completamente nueva de pensar sobre los láseres, dice.