[論文レビュー] Vertical Cavity Metasurface-Emitting Lasers (VCMELs) for programmable directional lasing emissions

Yiyang Xie, Peinan Ni+9 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2019

Semiconductor Lasers and Optical Devices参考文献 30被引用数 1

ひとこと要約

本論文では、統合された半導体メタサーフェスを用いてプログラマブルで方向性のあるレーザー発光を実現するモノリシック垂直キャビティメタサーフェス発光レーザー（VCMEL）の提案と実証を行う。標準的なVCSELの製造プロセスを活用することで、低しきい値電流とスケーラブルなアレイ統合を実現し、空間的制御が正確に可能なレーザー光ビームを実現。LiDAR、3次元センシング、光通信用途向けにコンパクトで高効率な光学システムの実現が可能となる。

ABSTRACT

Featuring low threshold currents, circular beam profile, and scalable fabrication in densely packed arrays, vertical cavity surface emitting lasers (VCSELs) have made indispensable contributions to the development of modern optoelectronic technologies. Manipulation of electromagnetic fields with recently emerged flat optical structures, namely metasurfaces, offers new opportunities to minimize complex optical system into ultra-compact dimensions. Here, we proposed and experimentally realized an array of directional Vertical Cavity Metasurface-Emitting Lasers (VCMELs) through the monolithic integration of semiconductor-based metasurfaces, characterized by unmatched spatial controllability of the laser emissions. Wafer-level monolithic integration of metasurfaces through standard VCSEL technology drastically simplifies the assembling process, with the potential to impact and promote important wide-field applications such as optical data communication, ultra-compact light detection and ranging (LiDAR), 3D sensing, and directional displays.

研究の動機と目的

• 高度なオプトエレクトロニクス応用におけるビームの方向性と空間的制御の面で従来のVCSELに見られる制限を克服すること。
• 外部光学素子を不要にすることで、動的かつプログラマブルなビーム形状制御を実現する半導体メタサーフェスをVCSELとモノリシックに統合すること。
• 複雑な自由空間光学系に代わる、超コンパクトでウェーハレベルのモノリシック構造を用いることで、光学系の統合を簡素化すること。
• 高精度なビーム指向性と低消費電力が求められる応用に適した、スケーラブルで高密度にパックされた方向性レーザー アレイの実現

提案手法

• 著者らは、標準的なエpi成長およびエッチング技術を用いて、VCSELの上部DBRミラーに直接半導体メタサーフェスを設計・プロセス化した。
• メタサーフェスは、発光アパーチャー全体にわたり空間的に変化する位相遅れを導入するように設計された、波長未満の誘電体ナノ構造で構成されている。
• メタサーフェスの位相プロファイルを最適化することで、遠方放射パターンを制御し、高い指向性を実現するビームステアリングおよびビーム形状制御が可能となった。
• モノリシック統合により、正確なアライメントと耐久性が確保され、個別部品の後工程での組立工程が不要となった。
• VCSELが有する低しきい値電流と円形ビームプロファイルの特性を基盤とすることで、ビーム制御性能を向上させた。
• ウェーハレベルでのプロセスにより、高収率かつスケーラブルなVCMELアレイの生産が可能となった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 VCSELと半導体メタサーフェスをモノリシックに統合することで、外部光学素子を用いずにプログラマブルで方向性のあるレーザー発光を実現できるか？
• RQ2 メタサーフェスは、低しきい値電流を維持したまま、VCSELのビーム指向性と空間的制御性をどの程度向上できるか？
• RQ3 ウェーハレベルでのモノリシック統合は、方向性レーザー アレイの性能、収率、スケーラビリティにどのように影響を与えるか？
• RQ4 VCMELは、LiDAR や 3次元センシングなどの応用において、複雑な光学系を置き換える可能性を有するか？

主な発見

• VCMELは、設計されたメタサーフェス位相プロファイルにより、チップレベルでのプログラマブルな方向性レーザー発光を実現し、ビームステアリングおよびビーム形状制御が可能となった。
• VCSELとメタサーフェスのモノリシック統合により、プロセスが簡素化され、ハイブリッド光学系に伴うアライメント課題が解消された。
• レーザーは低しきい値電流と円形ビームプロファイルを維持しており、従来のVCSELが有する固有の利点を損なわずに保った。
• 本アプローチにより、高スルーレットな光学応用に適した、スケーラブルで高密度にパックされた方向性発光素子アレイの実現が可能となった。
• メタサーフェス設計による、レーザー発光パターンの空間的制御性が飛躍的に向上し、アプリケーションに応じたビーム形状制御が可能となった。
• ウェーハレベルでのプロセスにより、大量生産と実世界での展開に適したコンパクトな光学システムへの統合が可能となった。