Многопереходный каскадный лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором и высокой эффективностью преобразования мощности 74%
Используя технологию многопереходных каскадных активных зон и обратные туннельные переходы для реализации каскадирования активных областей, учёные добились прорыва в эффективности VCSEL (лазеры поверхностного излучения с вертикальным резонатором). Физики смоделировали масштабирующие свойства многопереходных VCSEL и сравнили их со свойствами однопереходных VCSEL. Численное моделирование показывает, что 20-переходный VCSEL может превышать эффективность электрооптического преобразования 88% при температуре окружающей среды. Экспериментально, VCSEL с 15 переходами достиг эффективности электрооптического преобразования 74% при комнатной температуре с наклонной эффективностью 15,6 Вт/А, что соответствует дифференциальному квантовому выходу более 1100%. Такая эффективность электрооптического преобразования является самой высокой на сегодняшний день в области VCSEL, а эта дифференциальная квантовая эффективность является самой высокой, когда-либо зарегистрированной в полупроводниковых лазерах.
Перспективы применения высокоэффективных VCSEL для фотоники зеленой энергетики.
Фото: Свет: наука и приложения (2024 г.). DOI: 10.1038/s41377-024-01403-7
С момента своего создания эффективность преобразования энергии (PCE) технологии лазера с торцевым излучением (EEL) постоянно бьет рекорды, достигнув исторически высокого КПД 85% при температуре -50°C в 2006 году. Вслед за этим, в 2007 году, EEL также достиг высокой эффективности 76% при комнатной температуре. Однако в течение следующих 15 лет новых рекордов эффективности установлено не было, и эти достижения остались вершиной полупроводниковых лазеров.
Напротив, повышение эффективности лазеров поверхностного излучения с вертикальным резонатором (VCSEL) происходит медленнее. С момента сообщения о максимальном PCE в 62% в 2009 году не произошло никаких значительных прорывов, что подчеркивает явный разрыв в производительности между VCSEL и EEL. Для VCSEL, являющегося микрорезонаторным лазером, достижение высокоэффективного преобразования в области фотоники всегда было проблемой.
Из-за их низкой мощности и эффективности первые применения VCSEL были в основном ориентированы на небольшую маломощную бытовую электронику и связь на короткие расстояния в центрах обработки данных. В последние годы, благодаря достижениям в области интеллектуальных технологий, маломощные VCSEL стали ключевым источником света для интеллектуальных сенсорных систем, с заметным успехом находя широкое применение в распознавании лиц и зондировании на малых расстояниях.
В последнее время быстрое развитие передовых технологий искусственного интеллекта выявило огромный потенциал VCSEL в таких областях, как зондирование, связь, атомные часы, оптические/ квантовые вычисления, топологические лазеры и медицинская диагностика. В частности, спрос на технологии дальнего зондирования для автономного вождения, вычислительные мощности искусственного интеллекта в высокоскоростных центрах обработки данных и рост использования VCSEL в приложениях интеллектуальных и квантовых технологий подчеркивают важность энергопотребления как ключевой проблемы.
Энергоэффективность VCSEL оказывает существенное влияние на энергопотребление мобильных устройств и центров обработки данных. Таким образом, разработка сверхвысокоэффективных VCSEL имеет решающее значение для поддержки разработки конечных устройств в будущую интеллектуальную эпоху и играет важную роль в продвижении развития фотоники на экологически чистой энергии.
В новой статье , опубликованной в журнале Light: Science & Applications, группа ученых под руководством профессора Цзюня Вана из Колледжа электроники и информационной инженерии Сычуаньского университета, Китай, и компании Suzhou Everbright Photonics Co., Ltd, Сучжоу, Китай, и совместно сотрудники добились прорыва в эффективности VCSEL, используя технологию многопереходных каскадных активных зон.
Принцип работы многопереходного каскадного лазера поверхностного излучения с вертикальным резонатором.
Фото: Свет: наука и приложения (2024 г.). DOI: 10.1038/s41377-024-01403-7
Краткие сведения об эффективности электрооптического преобразования полупроводниковых лазеров.
Фото: Свет: наука и приложения (2024 г.). DOI: 10.1038/s41377-024-01403-7
За счет использования обратных туннельных переходов для реализации каскадирования активных областей объем усиления увеличивается. Такая стратегия проектирования позволяет носителям подвергаться множественным процессам вынужденной эмиссии, тем самым не только повышая дифференциальную квантовую эффективность устройства, но и поддерживая более низкий пороговый ток.
В результате в последние годы значительное количество исследователей использовали многопереходные VCSEL для достижения экспоненциального роста мощности, что сделало VCSEL жизнеспособными в качестве лазерных источников для LiDAR в автономных транспортных средствах. Однако наиболее значительным потенциальным преимуществом многопереходных VCSEL должно быть их значительное повышение эффективности.
Поэтому проводится систематическое исследование, сочетающее теоретическое моделирование с экспериментами, для изучения преимуществ многопереходных VCSEL в эффективности электрооптического преобразования.
Команда смоделировала масштабирующие свойства многопереходных VCSEL и сравнила их со свойствами однопереходных VCSEL. Численное моделирование показывает, что 20-переходный VCSEL может превышать эффективность электрооптического преобразования 88% при температуре окружающей среды.
Экспериментально, VCSEL с 15 переходами достиг эффективности электрооптического преобразования 74% при комнатной температуре с наклонной эффективностью 15,6 Вт/А, что соответствует дифференциальному квантовому выходу более 1100%. Исследователи полагают, что эта эффективность электрооптического преобразования является самой высокой на сегодняшний день в области VCSEL, а эта дифференциальная квантовая эффективность является самой высокой, когда-либо зарегистрированной в полупроводниковых лазерах.
Как заявил рецензент: «Это действительно представляет собой значительный прорыв в области, которая долгое время находилась в застое».
Авторы исследования пишут: «В будущем мы также планируем изучить и расширить применение высокоэффективных и мощных многопереходных VCSEL в области связи.
«Это исследование не только предоставляет ценные теоретические и экспериментальные данные для дальнейшей оптимизации и применения VCSEL, но также предлагает ценный справочник для дальнейшей разработки и применения полупроводниковых лазеров с высоким PCE. Ожидается, что оно окажет значительное влияние на фотонику и лазеры с зеленой энергией».
