Overfladeemitterende halvlederlaser opnår effektivitetsgennembrud

Siden starten har effektkonverteringseffektiviteten (PCE) for edge-emitting laser (EEL) teknologi konstant slået rekorder og opnået en historisk høj effektivitet på 85 % ved -50°C i 2006. Efter dette, i 2007, har EEL også nåede en høj effektivitet på 76 % ved stuetemperatur. Men i løbet af de næste 15 år blev der ikke sat nye effektivitetsrekorder, og disse resultater er forblevet toppen for halvlederlasere.

I modsætning hertil har effektivitetsforbedringen af ​​vertikal-kavitet overflade-emitterende lasere (VCSEL) været langsommere. Siden rapportering af en maksimal PCE på 62 % i 2009, har der ikke været væsentlige gennembrud, hvilket fremhæver en klar ydeevneforskel mellem VCSEL og EEL. Som en mikrokavitetslaser har det altid været en udfordring for VCSEL at opnå højeffektiv konvertering inden for fotonik.

På grund af deres lave effekt og effektivitet var de tidlige anvendelser af VCSEL'er primært fokuseret på småskala, laveffekt forbrugerelektronik og kortdistancekommunikation i datacentre. I de seneste år, med fremskridt inden for smart teknologi, er VCSEL'er med lav effekt blevet en vigtig kernelyskildechip til smarte sensorsystemer, og har fundet udbredt anvendelse inden for ansigtsgenkendelse og kortdistanceregistrering med bemærkelsesværdig succes.

For nylig har den hurtige udvikling af avanceret kunstig intelligens-teknologi afsløret de enorme potentielle VCSEL'er inden for områder som sansning, kommunikation, atomure, optisk/kvanteberegning, topologiske lasere og medicinsk diagnostik. Navnlig efterspørgslen efter langdistancedetektionsteknologier inden for autonom kørsel, AI-beregningskraft i højhastighedsdatabehandlingscentre og væksten af ​​VCSEL'er i smart- og kvanteteknologiapplikationer understreger vigtigheden af ​​energiforbrug som et kerneproblem.

Energieffektiviteten af ​​VCSEL'er har en betydelig indvirkning på energiforbruget af mobile enheder og datacentre. Derfor er udvikling af ultrahøjeffektive VCSEL'er afgørende for at understøtte udviklingen af ​​slutenheder i fremtidens smarte æra og spiller en vigtig rolle i at fremme udviklingen af ​​grøn energifotonik.

I et nyt papir offentliggjort i Light:Science &Applications , et team af videnskabsmænd, ledet af professor Jun Wang fra College of Electronics and Information Engineering, Sichuan University, Kina og Suzhou Everbright Photonics Co., Ltd, Suzhou, Kina, og kolleger, har opnået VCSEL-effektivitetsgennembrud ved hjælp af multijunction cascaded active områdeteknologi.

• ).

• ).

Ved at anvende omvendte tunnelforbindelser til at realisere aktiv region-kaskade, øges forstærkningsvolumenet. Denne designstrategi gør det muligt for transportører at gennemgå flere stimulerede emissionsprocesser, og derved ikke kun forbedre enhedens differentielle kvanteeffektivitet, men også opretholde en lavere tærskelstrøm.

Som et resultat heraf har et betydeligt antal forskere i de senere år udnyttet multi-junction VCSEL'er for at opnå eksponentiel kraftvækst, hvilket gør VCSEL'er levedygtige som laserkilder til LiDAR i autonome køretøjer. Den væsentligste potentielle fordel ved multi-junction VCSEL'er burde dog være deres bemærkelsesværdige effektivitetsforbedring.

Derfor udføres en systematisk undersøgelse, der kombinerer teoretiske simuleringer med eksperimenter, for at undersøge fordelene ved multi-junction VCSEL'er i elektro-optisk konverteringseffektivitet.

Holdet simulerede skaleringsegenskaberne af multi-junction VCSELs og sammenlignede dem med single-junction VCSELs. Numeriske simuleringer indikerer, at en 20-junction VCSEL kan overstige en elektro-optisk konverteringseffektivitet på 88 % under omgivende temperaturforhold.

Eksperimentelt opnåede en 15-junction VCSEL en elektro-optisk konverteringseffektivitet på 74 % ved stuetemperatur med en hældningseffektivitet på 15,6 W/A, svarende til en differentiel kvanteeffektivitet på over 1100 %. Forskerne mener, at denne elektro-optiske konverteringseffektivitet er den højeste rapporterede i VCSEL-området til dato, og denne differentielle kvanteeffektivitet er den højeste nogensinde rapporteret i halvlederlasere.

Som anmelderen udtalte:"Dette repræsenterer i sandhed et betydeligt gennembrud på et felt, der har stået stille i lang tid."

Forfatterne af undersøgelsen skriver:"I fremtiden planlægger vi også at udforske og udvide anvendelserne af højeffektive, højeffekt multi-junction VCSEL'er inden for kommunikation.

"Denne forskning giver ikke kun værdifuld teoretisk og eksperimentel evidens for yderligere optimering og anvendelse af VCSEL'er, men tilbyder også en værdifuld reference for den videre udvikling og anvendelse af høj PCE halvlederlasere. Det forventes at have en betydelig indvirkning på grøn energi fotonik og laser fysik."

Flere oplysninger: Yao Xiao et al, Multi-junction kaskaderet lodret kavitet overflade-emitterende laser med en høj effektkonverteringseffektivitet på 74 %, Light:Science &Applications (2024). DOI:10.1038/s41377-024-01403-7

Journaloplysninger: Lys:Videnskab og applikationer

Leveret af TranSpread