Oppervlakte-emitterende halfgeleiderlaser bereikt doorbraak in efficiëntie
Toepassingsvooruitzichten van hoogrenderende VCSEL voor groene energiefotonica. Credit:Licht:Wetenschap en toepassingen (2024). DOI:10.1038/s41377-024-01403-7
Sinds de introductie heeft de Power Conversion Efficiency (PCE) van de edge-emitting laser (EEL)-technologie voortdurend records gebroken, waarbij in 2006 een historisch hoge efficiëntie van 85% bij -50°C werd bereikt. Hierna heeft EEL in 2007 ook bereikte een hoog rendement van 76% bij kamertemperatuur. In de daaropvolgende vijftien jaar zijn er echter geen nieuwe efficiëntierecords gevestigd en deze prestaties zijn nog steeds het toppunt van halfgeleiderlasers.
Daarentegen is de efficiëntieverbetering van oppervlakte-emitterende lasers met verticale holte (VCSEL) langzamer verlopen. Sinds er in 2009 een maximale PCE van 62% werd gerapporteerd, hebben er geen significante doorbraken plaatsgevonden, wat wijst op een duidelijke prestatiekloof tussen VCSEL en EEL. Als microcaviteitslaser is het bereiken van hoogefficiënte conversie op het gebied van fotonica altijd een uitdaging geweest voor VCSEL.
Vanwege hun lage vermogen en efficiëntie waren de vroege toepassingen van VCSEL's voornamelijk gericht op kleinschalige consumentenelektronica met laag vermogen en korteafstandscommunicatie in datacenters. Dankzij de vooruitgang op het gebied van slimme technologie zijn VCSEL's met een laag vermogen de afgelopen jaren uitgegroeid tot een belangrijke kernlichtbronchip voor slimme detectiesystemen. Ze hebben met opmerkelijk succes een wijdverspreide toepassing gevonden in gezichtsherkenning en detectie op korte afstand.
Onlangs heeft de snelle ontwikkeling van geavanceerde kunstmatige intelligentietechnologie het enorme potentieel van VCSEL's onthuld op gebieden als detectie, communicatie, atoomklokken, optisch/kwantumcomputers, topologische lasers en medische diagnostiek. Met name de vraag naar langeafstandsdetectietechnologieën bij autonoom rijden, AI-rekenkracht in snelle dataverwerkingscentra en de groei van VCSEL's in slimme en kwantumtechnologietoepassingen onderstrepen het belang van energieverbruik als kernprobleem. P>
De energie-efficiëntie van VCSEL's heeft een aanzienlijke impact op het energieverbruik van mobiele apparaten en datacenters. Daarom is de ontwikkeling van ultra-efficiënte VCSEL's cruciaal voor het ondersteunen van de ontwikkeling van eindapparaten in het toekomstige slimme tijdperk en speelt het een belangrijke rol bij het bevorderen van de ontwikkeling van groene energiefotonica.
In een nieuw artikel gepubliceerd in Light:Science &Applications heeft een team van wetenschappers, onder leiding van professor Jun Wang van het College of Electronics and Information Engineering, Sichuan University, China en Suzhou Everbright Photonics Co., Ltd, Suzhou, China, en collega's, een doorbraak in VCSEL-efficiëntie bereikt met behulp van multijunction cascaded active gebiedstechnologie.
. Principe van de multi-junctie gecascadeerde oppervlakte-emitterende laser met verticale holte. Credit:Licht:Wetenschap en toepassingen (2024). DOI:10.1038/s41377-024-01403-7
Samenvatting van de elektro-optische conversie-efficiëntie van halfgeleiderlasers. Credit:Licht:Wetenschap en toepassingen (2024). DOI:10.1038/s41377-024-01403-7
Door omgekeerde tunnelovergangen te gebruiken om cascadering van actieve gebieden te realiseren, wordt het versterkingsvolume vergroot. Deze ontwerpstrategie maakt het mogelijk dat dragers meerdere gestimuleerde emissieprocessen ondergaan, waardoor niet alleen de differentiële kwantumefficiëntie van het apparaat wordt verbeterd, maar ook een lagere drempelstroom wordt gehandhaafd.
Als gevolg hiervan heeft een aanzienlijk aantal onderzoekers de afgelopen jaren multi-junction VCSEL's gebruikt om exponentiële energiegroei te bereiken, waardoor VCSEL's levensvatbaar zijn als laserbronnen voor LiDAR in autonome voertuigen. Het belangrijkste potentiële voordeel van multi-junction VCSEL's zou echter hun opmerkelijke efficiëntieverbetering moeten zijn.
Daarom wordt een systematische studie uitgevoerd die theoretische simulaties combineert met experimenten om de voordelen van multi-junction VCSELs op het gebied van elektro-optische conversie-efficiëntie te onderzoeken.
Het team simuleerde de schaaleigenschappen van VCSEL's met meerdere knooppunten en vergeleek deze met die van VCSEL's met één knooppunt. Numerieke simulaties geven aan dat een VCSEL met 20 knooppunten een elektro-optische conversie-efficiëntie van 88% kan overschrijden onder omgevingstemperaturen.
Experimenteel bereikte een VCSEL met 15 juncties een elektro-optische conversie-efficiëntie van 74% bij kamertemperatuur, met een hellingsefficiëntie van 15,6 W/A, wat overeenkomt met een differentiële kwantumefficiëntie van meer dan 1100%. De onderzoekers zijn van mening dat deze elektro-optische conversie-efficiëntie de hoogste is die tot nu toe op het gebied van VCSEL is gerapporteerd, en dat deze differentiële kwantumefficiëntie de hoogste is die ooit in halfgeleiderlasers is gerapporteerd.
Zoals de recensent verklaarde:"Dit vertegenwoordigt inderdaad een belangrijke doorbraak op een gebied dat al lange tijd stagneert."
De auteurs van de studie schrijven:"In de toekomst zijn we ook van plan de toepassingen van zeer efficiënte, krachtige multi-junction VCSEL's op het gebied van communicatie te onderzoeken en uit te breiden.
"Dit onderzoek levert niet alleen waardevol theoretisch en experimenteel bewijs voor verdere optimalisatie en toepassing van VCSEL's, maar biedt ook een waardevolle referentie voor de verdere ontwikkeling en toepassing van halfgeleiderlasers met hoge PCE. Er wordt verwacht dat het een aanzienlijke impact zal hebben op groene energie-fotonica en lasertechnologie. natuurkunde."
