Sedan starten har effektomvandlingseffektiviteten (PCE) för edge-emitting laser (EEL) teknologin kontinuerligt slagit rekord och uppnått en historiskt hög verkningsgrad på 85 % vid -50°C 2006. Efter detta, 2007, har EEL också nådde en hög effektivitet på 76 % vid rumstemperatur. Men under de kommande 15 åren sattes inga nya effektivitetsrekord och dessa prestationer har förblivit höjdpunkten för halvledarlasrar.
Däremot har effektivitetsförbättringen för vertikalkavitets ytemitterande lasrar (VCSEL) varit långsammare. Sedan en maximal PCE på 62 % rapporterades 2009 har det inte skett några betydande genombrott, vilket visar på ett tydligt prestandagap mellan VCSEL och EEL. Som en mikrokavitetslaser har det alltid varit en utmaning för VCSEL att uppnå högeffektiv konvertering inom fotonikområdet.
På grund av deras låga effekt och effektivitet, var de tidiga tillämpningarna av VCSELs främst inriktade på småskalig, lågeffekt konsumentelektronik och kortdistanskommunikation i datacenter. Under de senaste åren, med framsteg inom smart teknik, har VCSELs med låg effekt blivit ett centralt ljuskällachip för smarta avkänningssystem, och har hittat en utbredd tillämpning inom ansiktsigenkänning och kortdistansavkänning med anmärkningsvärd framgång.
Nyligen har den snabba utvecklingen av avancerad artificiell intelligensteknologi avslöjat den enorma potentialen för VCSEL inom områden som avkänning, kommunikation, atomklockor, optisk/kvantberäkning, topologiska lasrar och medicinsk diagnostik. Särskilt efterfrågan på avkänningsteknologier med lång räckvidd inom autonom körning, AI-beräkningskraft i höghastighetsdatabehandlingscenter och tillväxten av VCSELs i smarta och kvantteknologiska applikationer understryker vikten av energiförbrukning som en kärnfråga.
Energieffektiviteten hos VCSELs har en betydande inverkan på energiförbrukningen för mobila enheter och datacenter. Därför är utvecklingen av ultrahögeffektiva VCSEL:er avgörande för att stödja utvecklingen av slutenheter i framtidens smarta era och spelar en viktig roll för att främja utvecklingen av grön energifotonik.
I en ny artikel publicerad i Light:Science &Applications , ett team av forskare, ledda av professor Jun Wang från College of Electronics and Information Engineering, Sichuan University, Kina och Suzhou Everbright Photonics Co., Ltd, Suzhou, Kina, och medarbetare, har uppnått VCSEL-effektivitetsgenombrott genom att använda multijunction cascaded active områdesteknik.
Genom att använda omvända tunnelövergångar för att realisera aktiv regionkaskadbildning, ökas förstärkningsvolymen. Denna designstrategi gör det möjligt för bärare att genomgå flera stimulerade emissionsprocesser, vilket inte bara förbättrar enhetens differentiella kvanteffektivitet utan också bibehåller en lägre tröskelström.
Som ett resultat har ett betydande antal forskare under de senaste åren utnyttjat multi-junction VCSELs för att uppnå exponentiell krafttillväxt, vilket gör VCSELs livskraftiga som laserkällor för LiDAR i autonoma fordon. Den största potentiella fördelen med VCSEL:er med flera korsningar bör dock vara deras anmärkningsvärda effektivitetsförbättring.
Därför genomförs en systematisk studie som kombinerar teoretiska simuleringar med experiment för att undersöka fördelarna med multi-junction VCSELs i elektro-optisk konverteringseffektivitet.
Teamet simulerade skalningsegenskaperna hos VCSEL:er med flera korsningar och jämförde dem med de för VCSEL:er med en korsning. Numeriska simuleringar indikerar att en VCSEL med 20 korsningar kan överstiga en elektrooptisk omvandlingseffektivitet på 88 % under omgivande temperaturförhållanden.
Experimentellt uppnådde en VCSEL med 15 korsningar en elektrooptisk omvandlingseffektivitet på 74 % vid rumstemperatur, med en lutningseffektivitet på 15,6 W/A, motsvarande en differentiell kvantverkningsgrad på över 1100 %. Forskarna tror att denna elektrooptiska omvandlingseffektivitet är den högsta rapporterade inom VCSEL-området hittills, och denna differentiella kvantverkningsgrad är den högsta som någonsin rapporterats i halvledarlasrar.
Som recensenten sa:"Detta representerar verkligen ett betydande genombrott inom ett område som har stått stilla under lång tid."
Författarna till studien skriver:"I framtiden planerar vi också att utforska och utöka tillämpningarna av högeffektiva, högeffektiva multi-junction VCSELs inom kommunikationsområdet.
"Denna forskning ger inte bara värdefulla teoretiska och experimentella bevis för ytterligare optimering och tillämpning av VCSELs utan erbjuder också en värdefull referens för vidareutveckling och tillämpning av hög PCE-halvledarlasrar. Den förväntas ha en betydande inverkan på grön energifotonik och laser fysik."
Mer information: Yao Xiao et al, Multi-junction kaskadad vertikal kavitets ytemitterande laser med en hög effektkonverteringseffektivitet på 74 %, Light:Science &Applications (2024). DOI:10.1038/s41377-024-01403-7
Journalinformation: Ljus:Vetenskap och tillämpningar
Tillhandahålls av TranSpread
