Forskare har framgångsrikt uppnått generering av infraröd laser vid rumstemperatur, vilket förväntas ge pumplasrar med lägre effekt

Delasrarsom används för att belysa världens optiska kommunikationsnät är vanligtvis gjorda av erbiumdopade fibrer eller III-V-halvledare, eftersom dessalasrarkan avge infraröda våglängder som kan sändas genom optiska fibrer. Men samtidigt är detta material inte lätt att integrera med traditionell silikonelektronik.

I en ny studie sa forskare i Spanien att de i framtiden förväntas producera infraröda lasrar som kan beläggas längs optiska fibrer eller deponeras direkt på kisel som en del av CMOS-tillverkningsprocessen. De har visat att kolloidala kvantprickar integrerade i en specialdesignad optisk kavitet kan genereralaserljus genom ett optiskt kommunikationsfönster vid rumstemperatur.

Kvantpunkter är halvledare i nanoskala som innehåller elektroner. Elektronernas energinivåer liknar dem hos verkliga atomer. De tillverkas vanligtvis genom att värma kolloider som innehåller kemiska prekursorer till kvantprickkristaller och har fotoelektriska egenskaper som kan justeras genom att ändra deras storlek och form. Hittills har de använts i stor utsträckning i olika enheter, inklusive fotovoltaiska celler, lysdioder och fotondetektorer.

2006 demonstrerade ett team från University of Toronto i Kanada användningen av blysulfidkolloidala kvantprickar för infraröda lasrar, men det måste göras vid låga temperaturer för att undvika termiskt exciterande Auger-rekombination av elektroner och hål. Förra året rapporterade forskare i Nanjing, Kina om infraröda lasrar producerade av prickar gjorda av silverselenid, men deras resonatorer var ganska opraktiska och svåra att justera.

I den senaste forskningen förlitade Gerasimos Konstantatos från Barcelonas tekniska högskola i Spanien och hans kollegor en så kallad distribuerad återkopplingskavitet för att uppnå infraröda lasrar vid rumstemperatur. Denna metod använder ett gitter för att begränsa ett mycket smalt våglängdsband, vilket resulterar i ett enda laserläge.

För att göra gallret använde forskarna elektronstrålelitografi för att etsa mönster på safirsubstratet. De valde safir på grund av dess höga värmeledningsförmåga, som kan ta bort det mesta av värmen som genereras av den optiska pumpen - denna värme kommer att få lasern att rekombinera och göra laserutgången instabil.

Sedan placerade Konstantatos och hans kollegor en kvantprickkolloid av blysulfid på nio galler med olika stigning, från 850 nanometer till 920 nanometer. De använde också tre olika storlekar av kvantprickar med diametrar på 5,4 nm, 5,7 nm och 6,0 nm.

I ett rumstemperaturtest visade teamet att det kan generera lasrar i kommunikationens c-band, l-band och u-band, från 1553 nm till 1649 nm, och når full bredd, halva maxvärdet, så lågt som 0,9 meV. De fann också att på grund av den n-dopade blysulfiden kan de minska pumpningsintensiteten med cirka 40 %. Konstantatos tror att denna minskning kommer att bana väg för mer praktiska pumplasrar med lägre effekt och till och med kan bana väg för elektrisk pumpning.

När det gäller potentiella tillämpningar sa Konstantatos att kvantpunktslösningen kan ge nya integrerade CMOS-laserkällor för att uppnå billig, effektiv och snabb kommunikation inom eller mellan integrerade kretsar. Han tillade att med tanke på att infraröda lasrar anses vara ofarliga för människans syn, kan det också förbättra lidar.

Men innan lasrar kan tas i bruk måste forskarna först optimera sina material för att demonstrera användningen av lasrar med kontinuerliga vågor eller långa pulspumpkällor. Anledningen till detta är att undvika användningen av dyra och skrymmande lasrar under pikosekunder. Konstantatos sa: "Nanosekundpulser eller kontinuerliga vågor gör att vi kan använda diodlasrar, vilket gör det till en mer praktisk inställning."