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Wissenschaftlern ist es gelungen, Infrarotlaser bei Raumtemperatur zu erzeugen, was voraussichtlich zu Pumplasern mit geringerer Leistung führen wird

2021-10-13
DerLaserDie zur Beleuchtung der weltweiten optischen Kommunikationsnetze eingesetzten optischen Kommunikationsnetze bestehen meist aus mit Erbium dotierten Fasern oder III-V-Halbleitern, denn dieseLaserkann Infrarotwellenlängen aussenden, die über optische Fasern übertragen werden können. Allerdings lässt sich dieses Material nicht einfach in herkömmliche Siliziumelektronik integrieren.

In einer neuen Studie sagten Wissenschaftler in Spanien, dass sie in Zukunft voraussichtlich Infrarotlaser herstellen werden, die entlang optischer Fasern beschichtet oder im Rahmen des CMOS-Herstellungsprozesses direkt auf Silizium abgeschieden werden können. Sie haben gezeigt, dass kolloidale Quantenpunkte, die in einen speziell entwickelten optischen Hohlraum integriert sind, erzeugen könnenLaserLicht durch ein optisches Kommunikationsfenster bei Raumtemperatur.

Quantenpunkte sind Halbleiter im Nanomaßstab, die Elektronen enthalten. Die Energieniveaus von Elektronen ähneln denen realer Atome. Sie werden üblicherweise durch Erhitzen von Kolloiden hergestellt, die chemische Vorläufer von Quantenpunktkristallen enthalten, und verfügen über photoelektrische Eigenschaften, die durch Änderung ihrer Größe und Form angepasst werden können. Bisher werden sie häufig in verschiedenen Geräten eingesetzt, darunter Photovoltaikzellen, Leuchtdioden und Photonendetektoren.

Im Jahr 2006 demonstrierte ein Team der University of Toronto in Kanada die Verwendung kolloidaler Bleisulfid-Quantenpunkte für Infrarotlaser. Allerdings musste dies bei niedrigen Temperaturen erfolgen, um eine thermische Anregung der Auger-Rekombination von Elektronen und Löchern zu vermeiden. Letztes Jahr berichteten Forscher im chinesischen Nanjing über Infrarotlaser, die aus Punkten aus Silberselenid erzeugt wurden, deren Resonatoren jedoch recht unpraktisch und schwer einzustellen waren.

In der neuesten Forschung verließen sich Gerasimos Konstantatos vom Barcelona Institute of Technology in Spanien und seine Kollegen auf einen sogenannten Distributed Feedback Cavity, um Infrarotlaser bei Raumtemperatur zu erreichen. Bei dieser Methode wird ein Gitter verwendet, um ein sehr schmales Wellenlängenband zu begrenzen, was zu einem einzelnen Lasermodus führt.

Zur Herstellung des Gitters verwendeten die Forscher Elektronenstrahllithographie, um Muster auf das Saphirsubstrat zu ätzen. Sie entschieden sich für Saphir aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit, die den Großteil der von der optischen Pumpe erzeugten Wärme abführen kann – diese Wärme führt zu einer Rekombination des Lasers und macht die Laserleistung instabil.

Anschließend platzierten Konstantatos und seine Kollegen ein Bleisulfid-Quantenpunktkolloid auf neun Gittern mit unterschiedlichen Abständen von 850 Nanometern bis 920 Nanometern. Sie verwendeten außerdem drei verschiedene Größen von Quantenpunkten mit Durchmessern von 5,4 nm, 5,7 nm und 6,0 ​​nm.

In einem Raumtemperaturtest zeigte das Team, dass es Laser im Kommunikations-C-Band, L-Band und U-Band von 1553 nm bis 1649 nm erzeugen kann und dabei die volle Breite, also die Hälfte des Maximalwerts, von nur 0,9 erreicht meV. Sie fanden außerdem heraus, dass sie aufgrund des n-dotierten Bleisulfids die Pumpintensität um etwa 40 % reduzieren können. Konstantatos glaubt, dass diese Reduzierung den Weg für praktischere Pumplaser mit geringerer Leistung ebnen wird und möglicherweise sogar den Weg für elektrisches Pumpen ebnet.

Was mögliche Anwendungen betrifft, so sagte Konstantatos, dass die Quantenpunktlösung neue integrierte CMOS-Laserquellen hervorbringen könnte, um eine kostengünstige, effiziente und schnelle Kommunikation innerhalb oder zwischen integrierten Schaltkreisen zu erreichen. Er fügte hinzu, dass Infrarotlaser angesichts der Tatsache, dass sie für das menschliche Sehvermögen als harmlos gelten, auch das Lidar verbessern könnten.

Bevor Laser jedoch zum Einsatz kommen können, müssen Forscher zunächst ihre Materialien optimieren, um den Einsatz von Lasern mit kontinuierlichen Wellen- oder Langpuls-Pumpquellen zu demonstrieren. Der Grund hierfür besteht darin, den Einsatz teurer und sperriger Sub-Pikosekunden-Laser zu vermeiden. Konstantatos sagte: „Nanosekundenpulse oder kontinuierliche Wellen werden es uns ermöglichen, Diodenlaser zu verwenden, was es zu einer praktischeren Einstellung macht.“